(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板上にマトリクス状に配列された複数の画素と、前記画素の列ごとに設けられた信号線と、第１のタイミング制御手段と、第２のタイミング制御手段と、第３のタイミング制御手段と、前記信号線ごとに設けられた第１の演算手段と、前記信号線ごとに設けられた第２の演算手段とを含み、
前記画素は、受光して信号電荷を生成するフォトダイオードと、蓄積した信号電荷の量に対応した電圧を生成する電荷電圧変換手段と、前記フォトダイオードが生成した信号電荷を前記電荷電圧変換手段に転送する転送手段と、前記電荷電圧変換手段が生成した電圧を対応する前記信号線に出力するバッファー手段と、前記電荷電圧変換手段に蓄積した電荷を排除して前記電荷電圧変換手段をリセットするリセット手段とを含み、
前記フォトダイオードが生成した過剰な信号電荷は前記転送手段の転送動作に係わらず前記転送手段を通じて前記電荷電圧変換手段に移動するようにしてあり、
前記第１のタイミング制御手段は、制御パルスを供給することによって、（イ）前記画素の行を順次選択し、（ロ）選択行の各画素において、前記リセット手段に前記電荷電圧変換手段をリセットさせて、そのリセット直後に前記電荷電圧変換手段が生成している第３の電圧を前記バッファー手段及び前記信号線を介して前記第１の演算手段に取り込ませた後に、前記転送手段に前記フォトダイオードが生成した信号電荷を前記電荷電圧変換手段へ転送させて、同信号電荷により前記電荷電圧変換手段が生成した第１の電圧を前記バッファー手段及び前記信号線を介して前記第１の演算手段に取り込ませ、
前記第１の演算手段は、先に取り込んだ１つの画素の前記第３の電圧とそれに続いて取り込んだ同一画素の前記第１の電圧との差に対応した信号を出力し、
前記第２のタイミング制御手段は、前記第１のタイミング制御手段が選択行の各画素において前記リセット手段に前記電荷電圧変換手段をリセットさせる直前に、選択行の各画素に制御パルスを供給して、そのとき前記電荷電圧変換手段が生成している第２の電圧を前記バッファー手段及び前記信号線を介して前記第２の演算手段に取り込ませ、
前記第３のタイミング制御手段は、制御パルスを供給することによって、（イ）現在の選択行につづく画素行であって次に選択行とする画素行を選択し、（ロ）新たに選択した選択行の各画素において、前記リセット手段に前記電荷電圧変換手段をリセットさせて、そのリセット直後に前記電荷電圧変換手段が生成している第４の電圧を前記バッファー手段及び前記信号線を介して前記第２の演算手段に取り込ませ、
前記第２の演算手段は、先に取り込んだ１つの画素の前記第４の電圧とそれに続いて取り込んだ同一画素の前記第２の電圧との差に対応した信号を出力する、
ことを特徴とする固体撮像装置。
【請求項２】
半導体基板上にマトリクス状に配列された複数の画素と、前記画素の列ごとに設けられた信号線と、前記信号線ごとに設けられた第１の演算手段と、前記信号線ごとに設けられた第２の演算手段とを含み、前記画素は、受光して信号電荷を生成するフォトダイオードと、蓄積した信号電荷の量に対応した電圧を生成する電荷電圧変換手段とを含み、前記フォトダイオードが生成した過剰な信号電荷は前記フォトダイオードから溢れて前記電荷電圧変換手段に移動するようにした固体撮像装置の駆動方法であって、
前記画素の行を順次選択し、選択行の各画素において、前記電荷電圧変換手段をリセットし、そのリセット直後に前記電荷電圧変換手段が生成している第３の電圧を前記信号線を介して前記第１の演算手段に取り込ませた後に、前記フォトダイオードが生成した信号電荷を前記電荷電圧変換手段へ転送して、同信号電荷により前記電荷電圧変換手段が生成した第１の電圧を前記信号線を介して前記第１の演算手段に取り込む第１のタイミング制御ステップと、
前記第１の演算手段において、先に取り込んだ１つの画素の前記第３の電圧とそれに続いて取り込んだ同一画素の前記第１の電圧との差に対応した信号を生成するステップと、
前記第１のタイミング制御ステップで選択行の各画素において前記電荷電圧変換手段をリセットする直前に、選択行の各画素に制御パルスを供給して、そのとき前記電荷電圧変換手段が生成している第２の電圧を前記信号線を介して前記第２の演算手段に取り込む第２のタイミング制御ステップと、
現在の選択行につづく画素行であって次に選択行とする画素行を選択し、新たに選択した選択行の各画素において、前記電荷電圧変換手段をリセットし、そのリセット直後に前記電荷電圧変換手段が生成している第４の電圧を前記信号線を介して前記第２の演算手段に取り込む第３のタイミング制御ステップと、
前記第２の演算手段において、先に取り込んだ１つの画素の前記第４の電圧とそれに続いて取り込んだ同一画素の前記第２の電圧との差に対応した信号を出力するステップと、
を含むことを特徴とする固体撮像装置の駆動方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は固体撮像装置および固体撮像装置の駆動方法に関し、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および固体撮像装置の駆動方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
図１２は従来の固体撮像装置を示す構成図、図１３は図１２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１４は図１３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１２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１３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ー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ー）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】
増幅トランジスター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。増幅トランジスター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、増幅トランジスター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、増幅トランジスター１３０が垂直信号線１３６に出力した、フォトダイオード１２２が生成した信号電荷にもとづき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１４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ー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ー１３０により垂直信号線１３６に出力される。なお、増幅トランジスター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ー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、増幅トランジスター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、増幅トランジスター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、増幅トランジスター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。
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ー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なかった。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ー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、全体がたとえば真っ白に撮影されてしまい、映像を得ることはできなかった。
【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、シャッター速度、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】
本発明はこのような問題を解決するためになされたもので、その目的は、ダイナミックレンジが広く、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。
【００２０】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明に係る固体撮像装置は、半導体基板上にマトリクス状に配列された複数の画素と、前記画素の列ごとに設けられた信号線と、第１のタイミング制御手段と、第２のタイミング制御手段と、第３のタイミング制御手段と、前記信号線ごとに設けられた第１の演算手段と、前記信号線ごとに設けられた第２の演算手段とを含み、前記画素は、受光して信号電荷を生成するフォトダイオードと、蓄積した信号電荷の量に対応した電圧を生成する電荷電圧変換手段と、前記フォトダイオードが生成した信号電荷を前記電荷電圧変換手段に転送する転送手段と、前記電荷電圧変換手段が生成した電圧を対応する前記信号線に出力するバッファー手段と、前記電荷電圧変換手段に蓄積した電荷を排除して前記電荷電圧変換手段をリセットするリセット手段とを含み、前記フォトダイオードが生成した過剰な信号電荷は前記転送手段の転送動作に係わらず前記転送手段を通じて前記電荷電圧変換手段に移動するようにしてあり、前記第１のタイミング制御手段は、制御パルスを供給することによって、（イ）前記画素の行を順次選択し、（ロ）選択行の各画素において、前記リセット手段に前記電荷電圧変換手段をリセットさせて、そのリセット直後に前記電荷電圧変換手段が生成している第３の電圧を前記バッファー手段及び前記信号線を介して前記第１の演算手段に取り込ませた後に、前記転送手段に前記フォトダイオードが生成した信号電荷を前記電荷電圧変換手段へ転送させて、同信号電荷により前記電荷電圧変換手段が生成した第１の電圧を前記バッファー手段及び前記信号線を介して前記第１の演算手段に取り込ませ、前記第１の演算手段は、先に取り込んだ１つの画素の前記第３の電圧とそれに続いて取り込んだ同一画素の前記第１の電圧との差に対応した信号を出力し、前記第２のタイミング制御手段は、前記第１のタイミング制御手段が選択行の各画素において前記リセット手段に前記電荷電圧変換手段をリセットさせる直前に、選択行の各画素に制御パルスを供給して、そのとき前記電荷電圧変換手段が生成している第２の電圧を前記バッファー手段及び前記信号線を介して前記第２の演算手段に取り込ませ、前記第３のタイミング制御手段は、制御パルスを供給することによって、（イ）現在の選択行につづく画素行であって次に選択行とする画素行を選択し、（ロ）新たに選択した選択行の各画素において、前記リセット手段に前記電荷電圧変換手段をリセットさせて、そのリセット直後に前記電荷電圧変換手段が生成している第４の電圧を前記バッファー手段及び前記信号線を介して前記第２の演算手段に取り込ませ、前記第２の演算手段は、先に取り込んだ１つの画素の前記第４の電圧とそれに続いて取り込んだ同一画素の前記第２の電圧との差に対応した信号を出力することを特徴とする。
【００２１】
本発明の固体撮像装置では、選択行の画素において第１のタイミング制御手段の制御により電荷電圧変換手段がリセットされる前に、第２のタイミング制御手段による制御によって、電荷電圧変換手段が生成している第２の電圧がバッファー手段を通じ信号線に出力される。また、画素行が第１のタイミング制御手段により選択されるのに先だち、画素行の各画素の電荷電圧変換手段が第３のタイミング制御手段による制御のもとであらかじめリセットされる。したがって、上記第２の電圧は、入射光量が過大な場合に、第３のタイミング制御手段の制御により電荷電圧変換手段がリセットされた後、フォトダイオードが生成した過剰な信号電荷が溢れ電荷電圧変換手段に移動して蓄積し、その結果、電荷電圧変換手段が生成した電圧である。
【００２２】
すなわち、本発明の固体撮像装置では、入射光量が過大でフォトダイオードが生成した信号電荷がフォトダイオードから電荷電圧変換手段へ溢れた場合でも、溢れた信号電荷の量に対し直線的に変化する電圧が電荷電圧変換手段により生成され第２の電圧として信号線に出力される。よって、入射光量が通常の大きさの場合は上記第１の電圧を用い、入射光量が過大な場合は第２の電圧を用いて画像信号を生成することで、入射光量が過大な場合でも入射光量に対し直線的に大きさが変化する画像信号を得ることがき、広ダイナミックレンジの撮影が可能となる。
【００２３】
また、本発明は、半導体基板上にマトリクス状に配列された複数の画素と、前記画素の列ごとに設けられた信号線と、前記信号線ごとに設けられた第１の演算手段と、前記信号線ごとに設けられた第２の演算手段とを含み、前記画素は、受光して信号電荷を生成するフォトダイオードと、蓄積した信号電荷の量に対応した電圧を生成する電荷電圧変換手段とを含み、前記フォトダイオードが生成した過剰な信号電荷は前記フォトダイオードから溢れて前記電荷電圧変換手段に移動するようにした固体撮像装置の駆動方法であって、前記画素の行を順次選択し、選択行の各画素において、前記電荷電圧変換手段をリセットし、そのリセット直後に前記電荷電圧変換手段が生成している第３の電圧を前記信号線を介して前記第１の演算手段に取り込ませた後に、前記フォトダイオードが生成した信号電荷を前記電荷電圧変換手段へ転送して、同信号電荷により前記電荷電圧変換手段が生成した第１の電圧を前記信号線を介して前記第１の演算手段に取り込む第１のタイミング制御ステップと、前記第１の演算手段において、先に取り込んだ１つの画素の前記第３の電圧とそれに続いて取り込んだ同一画素の前記第１の電圧との差に対応した信号を生成するステップと、前記第１のタイミング制御ステップで選択行の各画素において前記電荷電圧変換手段をリセットする直前に、選択行の各画素に制御パルスを供給して、そのとき前記電荷電圧変換手段が生成している第２の電圧を前記信号線を介して前記第２の演算手段に取り込む第２のタイミング制御ステップと、現在の選択行につづく画素行であって次に選択行とする画素行を選択し、新たに選択した選択行の各画素において、前記電荷電圧変換手段をリセットし、そのリセット直後に前記電荷電圧変換手段が生成している第４の電圧を前記信号線を介して前記第２の演算手段に取り込む第３のタイミング制御ステップと、前記第２の演算手段において、先に取り込んだ１つの画素の前記第４の電圧とそれに続いて取り込んだ同一画素の前記第２の電圧との差に対応した信号を出力するステップとを含むことを特徴とする。
【００２４】
本発明の固体撮像装置の駆動方法では、第１のタイミング制御ステップで選択行の画素において電荷電圧変換手段をリセットする前に、第２のタイミング制御ステップで、電荷電圧変換手段が生成している第２の電圧をバッファー手段を通じ信号線に出力する。また、画素行を第１のタイミング制御ステップで選択するのに先だち、画素行の各画素の電荷電圧変換手段を第３のタイミング制御ステップにおいてあらかじめリセットする。したがって、上記第２の電圧は、入射光量が過大な場合に、第３のタイミング制御ステップで電荷電圧変換手段をリセットした後、フォトダイオードが生成した過剰な信号電荷が溢れ電荷電圧変換手段に移動して蓄積し、その結果、電荷電圧変換手段が生成した電圧である。
【００２５】
すなわち、本発明の固体撮像装置の駆動方法では、入射光量が過大でフォトダイオードが生成した信号電荷がフォトダイオードから電荷電圧変換手段へ溢れた場合でも、溢れた信号電荷の量に対し直線的に変化する電圧が電荷電圧変換手段により生成され第２の電圧として信号線に出力される。よって、入射光量が通常の大きさの場合は上記第１の電圧を用い、入射光量が過大な場合は第２の電圧を用いて画像信号を生成することで、入射光量が過大な場合でも入射光量に対し直線的に大きさが変化する画像信号を得ることがき、広ダイナミックレンジの撮影が可能となる。
【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構成する画素周辺を示す回路図、図２は実施の形態例の固体撮像装置の全体を示す構成図、図３は図１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１２、図１３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（第２の演算手段）が新たに設けられている。Ｓ／Ｈ・ＣＤＳ部回路４は、タイミングジェネレータ６（図２）からのサンプリングパルス８および第１のサンプリングパルス１４８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部４は、図２に示したＳ／Ｈ・ＣＤＳ部１０に配置されている。
【００２８】
本実施の形態例では、図２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。出力部１６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。
【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。本実施の形態例ではタイミングジェネレータ６、Ｖ選択手段７が本発明に係る第１から第３のタイミング制御手段を構成している。
【００３０】
定電流源１１４（図１）は、詳しくは、一例として閾値電圧Ｖｔｈが０．４５ＶのＭＯＳトランジスター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。
【００３１】
次に、本実施の形態例の固体撮像装置２の動作について、図３をも参照しつつ説明する。なお、図３において、図１３に示したタイミングに相当するタイミングには同じ符号が付されている。
Ｖ選択手段７は、タイミングジェネレータ６からのタイミングパルスにもとづき画素部１０４の画素行を選択し、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（本発明に係る制御パルス）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ー１３０（本発明に係るバッファー手段）が垂直信号線１３６に接続される。このとき、増幅トランジスター１３０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ー１３０から垂直信号線１３６に低インピーダンスで出力される。
【００３２】
その後、タイミングジェネレータ６は、本発明に係る第２のタイミング制御として動作し、タイミングＴ１ａで、Ｓ／Ｈ・ＣＤＳ部４に対して第２のサンプリングパルス８（本発明に係る制御パルス）を出力し、増幅トランジスター１３０を通じて垂直信号線１３６に出力されているＦＤ部１２４の電圧、すなわち本発明に係る第２の電圧（以下、広Ｄ電圧ともいう）を保持させる（本発明に係る第２のタイミング制御ステップ）。この電圧がどのような電圧であるかについては後に詳しく説明する。
【００３３】
次に、Ｖ選択手段７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に蓄積している信号電荷が排除される。そして、このリセット状態のＦＤ部１２４の電圧、すなわちオフセット電圧（本発明に係る第３の電圧）が増幅トランジスター１３０により垂直信号線１３６に出力される。
【００３４】
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６は垂直信号線１３６ごとに設けられたＳ／Ｈ・ＣＤＳ回路１４６（本発明に係る第１の演算手段）に第１および第２のサンプリングパルス１４８、１５０を、Ｓ／Ｈ・ＣＤＳ回路４に第１のサンプリングパルス１４８および第２のサンプリング８をそれぞれ出力し、増幅トランジスター１３０により垂直信号線１３６に出力された上記オフセット電圧を保持させる。
【００３５】
その後、タイミングＴ４において、Ｖ選択手段７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、前回の転送パルス１３２の後、タイミングＴ４までに受光して蓄積した信号電荷をＦＤ部１２４に転送させる。ＦＤ部１２４は転送された信号電荷の量に応じた電圧、すなわち通常光検出電圧（本発明に係る第１の電圧）を生成し、増幅トランジスター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。
【００３６】
そして、タイミングジェネレータ６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を出力し、このとき増幅トランジスター１３０が垂直信号線１３６に出力している上記通常光検出電圧を保持させる。これにより、各Ｓ／Ｈ・ＣＤＳ回路１４６は、上述のように保持した通常光検出電圧およびオフセット電圧の差を算出して、オフセット分を除去し、フォトダイオード１２２の入射光量に対応する大きさの電圧を出力する。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６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。
【００３７】
一方、Ｓ／Ｈ・ＣＤＳ部１０では、各垂直信号線１３６ごとに設けられたＳ／Ｈ・ＣＤＳ回路４が、上述のように保持した広Ｄ電圧とオフセット電圧との差を算出し、オフセット分を除去して、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。各垂直信号線１３６ごとのＳ／Ｈ・ＣＤＳ回路４の出力信号は、タイミングジェネレータ６からのタイミングパルスにもとづきＨ選択手段１２により順次選択されて水平信号線１４に出力され、出力部１６を通じ画像信号として出力される。
【００３８】
Ｖ選択手段７は、次のサイクルに備えるべくタイミングＴ５ａにおいて再度リセットパルス１３４を出力する。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に蓄積している信号電荷が排除される。
Ｖ選択手段７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ー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。
【００３９】
以上の動作において、Ｖ選択手段７およびタイミングジェネレータ６は本発明に係る第１のタイミング制御手段として動作して、タイミングＴ１で選択行の画素にアドレスパルス１４０を供給し、タイミングＴ２でＦＤ部１２４をリセットさせ、タイミングＴ４でフォトダイオード１２２が生成した信号電荷をＦＤ部１２４に転送させて、通常光検出電圧を垂直信号線に出力させており、そして、このとき本発明に係る第１のタイミング制御ステップが実行されている。
【００４０】
つづいて、Ｖ選択手段７はタイミングジェネレータ６とともに本発明に係る第３のタイミング制御手段として動作し、上記タイミングＴ１〜Ｔ６まで選択していた選択行より、一例として５行進んだ画素行（ＦＤ電子シャッター行）の各画素に対して、タイミングＴ７において、リセットパルス１３４を出力し、ＦＤ部１２４をリセットする（本発明に係る第３のタイミング制御ステップ）。
【００４１】
図４は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り、画素部１０４を模式的に示し、各四角形２０が個々の画素を表している。そして、たとえば選択行２２が上記タイミングＴ１〜Ｔ６まで選択されていた行であり、ＦＤ電子シャッター行２４が、タイミングＴ７において、上述のように各画素のＦＤ部１２４にリセットパルス１３４が供給される行である。
【００４２】
ここで、ＦＤ電子シャッター行２４は、選択行２２につづく４行が選択された後、選択されて選択行となり、この選択行（ＦＤ電子シャッター行２４）において上述したタイミングＴ１〜Ｔ６で行われた選択行２２に関する動作と同じ動作が行われる。したがって、タイミングＴ７でＦＤ電子シャッター行２４の画素を構成するＦＤ部１２４をリセットすることは、画素行（ＦＤ電子シャッター行２４）が後にＶ選択手段７により選択されるのに先だち、この画素行の各画素のＦＤ部１２４をリセットしていることになる。
【００４３】
以上のような選択行２２およびＦＤ電子シャッター行２４に関する動作は、選択行２２およびＦＤ電子シャッター行２４を矢印Ａの方向に１行ずつ順次シフトさせつつ行われ、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。
【００４４】
次に、タイミングＴ１ａでサンプリングされた上記広Ｄ電圧、および上記ＦＤ電子シャッター行２４におけるＦＤ部１２４のリセットについて詳しく説明する。
フォトダイオード１２２への入射光量が多い場合、フォトダイオード１２２が受光して生成した過剰な信号電荷は転送ゲート１２６を越えてＦＤ部１２４へと溢れ、さらにＦＤ部１２４も溢れて信号電荷はリセットゲート１２８を越えて電源Ｖｄｄへと流れ込む。
【００４５】
このとき、ＦＤ部１２４の電圧は、電源Ｖｄｄに流出する信号電荷による電流の大きさにより決まるが、フォトダイオード１２２が生成する信号電荷量は小さく、ＭＯＳＦＥＴによるリセットゲート１２８のチャネルに流れる電流はナノアンペアのオーダーの弱い電流であり、リセットゲート１２８はサブスレッショルド領域で動作するので、ＦＤ部１２４の電圧は電流値の対数に対応した値となる。そして、このＦＤ部１２４の電圧が増幅トランジスター１３０を通じて出力され、Ｓ／Ｈ・ＣＤＳ回路４に供給されるので、入射光量が過大な場合、タイミングＴ１ａでＳ／Ｈ・ＣＤＳ回路４が保持する広Ｄ電圧は、入射光量の対数に対応した値となる。
【００４６】
しかし、本実施の形態例では、ＦＤ電子シャッター行２４の各画素のＦＤ部１２４は、上述のように、選択されるのに先立ち、５行前の段階であらかじめリセットされる。したがって、ＦＤ部１２４のリセットの後、フォトダイオード１２２から溢れた信号電荷はＦＤ部１２４に次第に蓄積するが、選択行が５行シフトした段階で、この間にＦＤ部１２４に蓄積した信号電荷の量に比例した大きさの広Ｄ電圧が、Ｓ／Ｈ・ＣＤＳ回路４に取り込まれる。このように、本実施の形態例では、ＦＤ部１２４における電荷蓄積時間が短くなるので、入射光量が過大でフォトダイオード１２２から信号電荷が溢れた場合でも、溢れた信号電荷の量に対し直線的に変化する電圧（広Ｄ電圧）を得ることができる。
【００４７】
よって、入射光量が通常の大きさの場合は上記通常光検出電圧によりＳ／Ｈ・ＣＤＳ回路１４６が生成し出力部１１８を通じて出力される信号を用い、入射光量が過大な場合は広Ｄ電圧によりＳ／Ｈ・ＣＤＳ回路４が生成し出力部１６より出力される信号を用いて画像信号を生成することにより、入射光量が過大な場合でも入射光量に対し大きさが直線的に変化する画像信号を得ることがき、広ダイナミックレンジの撮影が可能となる。
【００４８】
なお、入射光量がさらに大きいときは、フォトダイオード１２２から溢れた信号電荷はリセット後のＦＤ部１２４でもタイミングＴ１ａの前の段階で溢れ、上述のように、リセットゲート１２８を通じて流れるため広Ｄ電圧は入射光量の対数に対応した値となる。したがって、入射光量に対し大きさが比例的に変化する画像信号は得られないものの、入射光量に応じた大きさの画像信号が得られ、この場合にも広ダイナミックレンジの撮影が可能となる。
【００４９】
また、本実施の形態例では、上述のように出力部１６、１１８から同時に信号を出力できるので、必要に応じて両出力を用いるか、一方のみを用いるといった選択が可能であり、後段の信号処理における自由度が高い。
そして、ラインメモリーやフレームメモリーを用いたり、画素部１０４の行間での演算処理を行ったりする必要がないので、構成および処理内容が簡素であり、装置の小型化に有利であるとともに、製造コストが特に上昇することもない。さらに、画素１２０の構成は従来と同じであるから、画素１２０のサイズが大きくなることがなく、この点でも固体撮像装置の小型化に有利である。
また、入射光量がきわめて大きく、出力部１６の出力が入射光量の対数に対応した大きさとなる場合、対数変換にコンデンサーなどは使用しないので、残像の問題がなく、そして、雑音の少ない埋め込みフォトダイオード１２２を使用できるため、画質の点で性能が低下することもない。
【００５０】
なお、本実施の形態例では、図４に示したように、ＦＤ電子シャッター行２２は選択行２２より５行先行しているとしたが、これらの行の間隔を種々に変更することで、ＦＤ部１２４における電荷蓄積時間を変更することができ、入射光量が過大な場合に入射光量に対し直線的に変化する広Ｄ電圧を得ることができる光量の範囲を調整することができる。上記行間隔は狭くするほど、入射光量に対し直線的に変化する広Ｄ電圧を得ることができる光量の範囲は広くなり、たとえば、１フレームが５００の画素行で構成されている場合、ＦＤ電子シャッター行２４を選択行２２の次の行とすると、ＦＤ電子シャッター行２４でＦＤ部１２４のリセットを行わなかった場合に比べ５００倍に拡大する。
【００５１】
また、本実施の形態例では、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。
そして、ここではタイミングジェネレータを内蔵した場合の実施の形態例を示したが、タイミングジェネレータを外付けとすることも可能である。
【００５２】
次に、本発明の第２の実施の形態例について説明する。
図５は第２の実施の形態例の固体撮像装置を構成する画素周辺を示す回路図、図６は第２の実施の形態例におけるＦＤ電子シャッター行２４と選択行２２との関係を示す説明図、図７はＳ／Ｈ・ＣＤＳ回路を詳しく示す回路図、図８は第２の実施の形態例の動作を示すタイミングチャートである。図中、図１、図４などと同一の要素には同一の符号が付されている。なお、第２の実施の形態例の全体の構成は図２に示した固体撮像装置２の構成と同じであるため、適宜、図２をも参照する。以下では、これらの図面を参照して、本発明の第２の実施の形態例としての固体撮像装置について説明し、同時に本発明の固体撮像装置の駆動方法の他の例について説明する。
【００５３】
第２の実施の形態例の固体撮像装置は、図６に示したように、ＦＤ電子シャッター行２４を選択行２２の次の行とし、図５に示したように上記実施の形態例を構成するＳ／Ｈ・ＣＤＳ回路４をＳ／Ｈ・ＣＤＳ回路１４６Ａで置き換え、さらに、以下に説明するように、オフセット電圧のＳ／Ｈ・ＣＤＳ回路１４６Ａへの取り込みタイミングの点で上記実施の形態例の固体撮像装置２と異なっている。
【００５４】
まず、図７を参照してＳ／Ｈ・ＣＤＳ回路１４６について詳しく説明する。
図７に示したように、Ｓ／Ｈ・ＣＤＳ回路１４６は、トランジスター５６、５８、コンデンサー６０、６２、ならびに水平選択トランジスター６４を含んで構成されている。トランジスター５６のドレインは垂直信号線１３６に、ソースはコンデンサー６０の一端にそれぞれ接続されており、トランジスター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が供給される。また、トランジスター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ー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。なお、上記第１および第２のサンプリングパルス１４８、１５０はＳ／Ｈ・ＣＤＳ部１１２に配置された全Ｓ／Ｈ・ＣＤＳ部１４６のトランジスター５６、５８のゲートに対して共通に供給される。
【００５５】
コンデンサー６０の上記他端とグランドとの間にはコンデンサー６２が接続され、コンデンサー６０の上記他端にはさらに水平選択トランジスター６４のドレインが接続されている。水平選択トランジスター６４のソースは水平信号線１１６に接続されており、ゲートにはＨ選択手段１０８より選択パルスがＳ／Ｈ・ＣＤＳ回路１４６ごとに個別に供給される。
【００５６】
このような構成において、第１および第２のサンプリングパルス１４８、１５０が供給されると、トランジスター５６、５８はともにオンし、これにより、垂直信号線１３６に出力されているＦＤ部１２４のオフセット電圧に対応する電圧がコンデンサー６０に保持される。
一方、第２のサンプリングパルス１５０のみが供給されると、トランジスター５６がオンし、垂直信号線１３６に出力されている光検出電圧が、トランジスター５６およびコンデンサー６０を通じてコンデンサー６２に印加される。ここで、コンデンサー６０はオフセット電圧に対応する電圧を保持しているので、コンデンサー６２は、この電圧を差し引いた電圧に対応する電圧を保持することになる。
【００５７】
そして、Ｈ選択手段１０８は、垂直信号線１３６ごとのＳ／Ｈ・ＣＤＳ回路１４６の水平選択トランジスター６４に順次、選択パルスを出力し、水平選択トランジスター６４を順次オンさせて、コンデンサー６２が保持している電圧を順番に水平信号線１１６に出力させる。
なお、Ｓ／Ｈ・ＣＤＳ回路１４６Ａは本実施の形態例ではＳ／Ｈ・ＣＤＳ回路１４６と同一の構成となっている。
【００５８】
次に、広Ｄ電圧、オフセット電圧、通常光検出電圧のＳ／Ｈ・ＣＤＳ回路１４６、１４６Ａへの取り込みを中心に、図８をも参照しつつ動作を説明する。
図８に示したタイミングチャートが、図３に示したタイミングチャートと異なるのは、第１および第２のサンプリングパルス１４８Ａ、１５０ＡはＳ／Ｈ・ＣＤＳ回路１４６ＡにタイミングＴ３では供給されず、タイミングＴ８で供給され、またタイミングＴ６ａでアドレスパルス１４０が供給される点である。これら以外の点では図３と同じであり、また関連する動作も同じであるため、ここでは、これらのタイミングにおける動作を中心に説明する。
【００５９】
上述のようにタイミングＴ３では、第１および第２のサンプリングパルス１４８Ａ、１５０ＡはＳ／Ｈ・ＣＤＳ回路１４６Ａには供給されず、タイミングジェネレータ６はＳ／Ｈ・ＣＤＳ回路１４６に対してのみ第１および第２のサンプリングパルス１４８、１５０を供給して垂直信号線１３６に出力されているＦＤ部１２４のオフセット電圧を保持させる。具体的には、図７に示したように、このときトランジスター５６、５８がともにオンし、上記オフセット電圧に対応する電圧がコンデンサー６０に保持される。
【００６０】
その後、Ｓ／Ｈ・ＣＤＳ回路１４６には固体撮像装置２の場合と同様に、タイミングＴ５で第２のサンプリングパルス１５０が供給され、Ｓ／Ｈ・ＣＤＳ回路１４６は通常光検出電圧を保持する。具体的には、図７に示したように、このときトランジスター５６がオンし、通常光検出電圧から上記オフセット電圧を差し引いた電圧に対応する電圧をコンデンサー６２が保持し、この電圧は後にトランジスター６４を通じて水平信号線１１６に出力される。
【００６１】
そして、Ｖ選択手段７はタイミングジェネレータ６とともに、本発明に係る第３のタイミング制御手段として動作し、図６に示したＦＤ電子シャッター行２４の画素を構成するアドレスゲート１３８に対してまずタイミングＴ６ａにおいてアドレスパルス１４０を供給してアドレスゲート１３８をオンさせ、次に、タイミングＴ７で固体撮像装置２の場合と同様に、リセットパルス１３４をリセットゲート１２８に供給してＦＤ部１２４をリセットさせる。
【００６２】
そして、タイミングＴ８において、タイミングジェネレータ６は第１および第２のサンプリングパルス１４８Ａ、１５０Ａを各Ｓ／Ｈ・ＣＤＳ回路１４６Ａに出力して垂直信号線１３６に出力されているＦＤ部１２４のオフセット電圧（本発明に係る第４の電圧）を保持させる。具体的には、図７に示したように、このときトランジスター５６、５８がともにオンし、上記オフセット電圧に対応する電圧がコンデンサー６０に保持される。Ｖ選択手段７はつづいてタイミングＴ９においてアドレスパルスを元のローレベルに戻す。
【００６３】
その後、現在のＦＤ電子シャッター行２４が次のサイクルで選択行となると、タイミングジェネレータ６は、固体撮像装置２の場合と同様に、タイミングＴ１ａで、第２のサンプリングパルス１５０Ａを各Ｓ／Ｈ・ＣＤＳ回路１４６Ａに供給して垂直信号線１３６に出力されている広Ｄ電圧を保持させる。具体的には、図７に示したように、このときトランジスター５６がオンし、広Ｄ電圧から上記オフセット電圧を差し引いた電圧に対応する電圧をコンデンサー６２が保持し、この電圧は後にトランジスター６４を通じて水平信号線１１６に出力される。
以降、選択行２２およびＦＤ電子シャッター行２４を順次矢印Ａの方向に１行ずつシフトさせながら、以上のような動作がくり返される。
【００６４】
以上説明したように第２の実施の形態例の固体撮像装置では、Ｓ／Ｈ・ＣＤＳ回路１４６、１４６Ａの両方の回路に対してオフセット電圧が先に供給され、その後、通常光検出電圧および広Ｄ電圧がそれぞれ供給される。したがって、Ｓ／Ｈ・ＣＤＳ回路１４６、１４６Ａは、図７に示したように、まったく同じ構成にしてそれぞれ通常光検出電圧および広Ｄ電圧からオフセット電圧を差し引いた同極性の電圧を得ることができる。
【００６５】
図１に示したＳ／Ｈ・ＣＤＳ回路４の場合には、上述のようにタイミングＴ１ａでまず広Ｄ電圧が供給され、その後、タイミングＴ３でＦＤ部１２４のオフセット電圧が供給されるので、Ｓ／Ｈ・ＣＤＳ回路４を、Ｓ／Ｈ・ＣＤＳ回路１４６と同じ構成にした場合には、広Ｄ電圧に対応する電圧がコンデンサー６０に保持されるため、Ｓ／Ｈ・ＣＤＳ回路４からは極性が逆の信号が出力されることになる。したがって、Ｓ／Ｈ・ＣＤＳ回路４は、出力信号の極性をＳ／Ｈ・ＣＤＳ回路１４６と同じとするためには、Ｓ／Ｈ・ＣＤＳ回路１４６とは異なる構成としなければならない。
第２の実施の形態例では、上述のようにＳ／Ｈ・ＣＤＳ回路１４６Ａは、Ｓ／Ｈ・ＣＤＳ回路１４６と同じ構成でよく、両回路からは同じ極性の信号が出力される。そのため、Ｓ／Ｈ・ＣＤＳ回路の設計が容易であり、製造においても有利である。
【００６６】
また、第２の実施の形態例では、上述のようにタイミングＴ７でＦＤ電子シャッター行の画素のＦＤ部１２４をリセットしてタイミングＴ８でオフセット電圧をＳ／Ｈ・ＣＤＳ回路１４６Ａに保持し、その直後に、次の選択行（すなわち上記ＦＤ電子シャッター行）の画素からタイミングＴ１ａで広Ｄ電圧をＳ／Ｈ・ＣＤＳ回路１４６Ａに取り込んで、オフセット分を除去した広Ｄ電圧に対応する信号を得る。したがって、広Ｄ電圧に含まれるＫＴＣ雑音などのノイズを効果的に除去することができる。
すなわち、タイミングＴ７でＦＤ電子シャッター行の画素のＦＤ部１２４をリセットしたとき、ＦＤ部１２４の電圧（オフセット電圧）は、ＫＴＣ雑音などの雑音が重畳したものとなっている。その後、フォトダイオード１２２から溢れた信号電荷はＦＤ部１２４に蓄積し、ＦＤ部１２４は対応する電圧を生成するが、この電圧には、上記リセット後の雑音が重畳している。よって、次のサイクルのタイミングＴ１ａで、オフセット電圧に重畳している雑音と同じ雑音が重畳した広Ｄ電圧をＳ／Ｈ・ＣＤＳ回路１４６Ａに取り込み、先にタイミングＴ８で取り込んでいるリセット直後のオフセット電圧を減じると、雑音成分を確実に除去することができる。
【００６７】
なお、第２の実施の形態例では、選択行とＦＤ電子シャッター行とは隣どうしであり両行の位置関係が固定であるため、フォトダイオード１２２から溢れた信号電荷のＦＤ部における蓄積時間の調整は行えず、入射光量が過大な場合の感度を調整することはできない。しかし、ＦＤ電子シャッター行を選択行の次の行とすることで最もダイナミックレンジが広くなるので、ＦＤ電子シャッター行をこのように固定することは必ずしも不利とはならない。また、入射光量が過大な場合の感度を固定することは、後段における信号処理が容易になるという点で有利に働く。
【００６８】
次に本発明の第３の実施の形態例について説明する。
図９は第３の実施の形態例の動作を示すタイミングチャート、図１０は第３の実施の形態例におけるフォトダイオード電子シャッター行、ＦＤ電子シャッター行、ならびに選択行の関係を示す説明図である。図１０において図４と同一の要素には同一の符号が付されている。以下では、これらの図面を参照して、本発明の第３の実施の形態例としての固体撮像装置について説明し、同時に本発明の固体撮像装置の駆動方法の他の例について説明する。
なお、第３の実施の形態例の固体撮像装置の全体の構成および画素の構成は最初の実施の形態例の固体撮像装置２と同じであるため、図１、図２をも適宜参照する。
【００６９】
この第３の実施の形態例は、図１０に示したように、ＦＤ電子シャッター行２４とともにフォトダイオード電子シャッター行２６を設定し、そしてタイミングジェネレータ６およびＶ選択手段７によるタイミング制御を変更した点で、上記固体撮像装置２と異なっている。ＦＤ電子シャッター行２４は、本実施の形態例では、選択行２２より４行先行する位置にあり、フォトダイオード電子シャッター行２６は選択行２２より７行先行する位置にある。
【００７０】
本実施の形態例の動作について説明すると、Ｖ選択手段７（図２）は、タイミングＴ１で選択行２２の各画素に対してアドレスパルス１４０（ハイレベル）を出力する。その結果、アドレスゲート１３８（図１）がオンして増幅トランジスター１３０が垂直信号線１３６に接続される。
その後、タイミングジェネレータ６は、タイミングＴ１ａで、Ｓ／Ｈ・ＣＤＳ回路４に対してサンプリングパルス８を出力し、増幅トランジスター１３０を通じて垂直信号線１３６に出力されている広Ｄ電圧を保持させる。
次に、Ｖ選択手段７はタイミングＴ２において選択行２２、ＦＤ電子シャッター行２４、フォトダイオード電子シャッター行２６の各行にリセットパルス１３４を出力する。これにより上記３行の各画素においてリセットゲート１２８がオンしてＦＤ部１２４がリセットされる。選択行２２では、このリセット状態のＦＤ部１２４の電圧、すなわちオフセット電圧が増幅トランジスター１３０により垂直信号線１３６に出力される。
【００７１】
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６は垂直信号線１３６ごとに設けられた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、Ｓ／Ｈ・ＣＤＳ回路４に第１のサンプリングパルス１４８および第２のサンプリング８をそれぞれ出力し、選択行２２の増幅トランジスター１３０により垂直信号線１３６に出力された上記オフセット電圧を保持させる。
【００７２】
その後、タイミングＴ４において、Ｖ選択手段７は転送パルス１３２を選択行２２およびフォトダイオード電子シャッター行２６の画素を構成する転送ゲートに供給してオンさせ、このタイミングまでにフォトダイオード１２２が受光して蓄積した信号電荷をＦＤ部１２４に転送させる。選択行２２の各画素のＦＤ部１２４は通常光検出電圧を生成し、増幅トランジスター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。
【００７３】
そして、タイミングジェネレータ６はタイミングＴ５で、各Ｓ／Ｈ・ＣＤＳ回路１４６に第２のサンプリングパルス１５０を出力し、このとき増幅トランジスター１３０が垂直信号線１３６に出力している上記通常光検出電圧を保持させる。これにより、各Ｓ／Ｈ・ＣＤＳ回路１４６は、上述のように保持した通常光検出電圧からオフセット電圧を差し引き、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。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６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。
【００７４】
一方、Ｓ／Ｈ・ＣＤＳ部１０では、各Ｓ／Ｈ・ＣＤＳ回路４が、上述のように保持した広Ｄ電圧からオフセット電圧を差し引きフォトダイオード１２２の入射光量に対応する大きさの電圧を出力する。各Ｓ／Ｈ・ＣＤＳ回路４の出力信号は、タイミングジェネレータ６からのタイミングパルスにもとづきＨ選択手段１２により順次選択されて水平信号線１４に出力され、出力部１６を通じ画像信号として出力される。
【００７５】
Ｖ選択手段７は、次のサイクルに備えるべくタイミングＴ５ａにおいて再度リセットパルス１３４を選択行２２、ＦＤ電子シャッター行２４、ならびにフォトダイオード電子シャッター行２６に出力する。これにより各行の画素を構成するリセットゲート１２８がオンしてＦＤ部１２４がリセットされる。なお、フォトダイオード電子シャッター行２６の画素には、タイミングＴ４において転送パルス１３２が供給されているので、フォトダイオード電子シャッター行２６の画素を構成するフォトダイオード１２２およびＦＤ部１２４はこの段階でともにリセット状態となる。
【００７６】
Ｖ選択手段７はタイミングＴ６において選択行２２の画素に供給していたアドレスパルス１４０をローレベルに戻し、その結果、選択行２２の画素を構成するアドレスゲート１３８がオフして増幅トランジスター１３０が垂直信号線１３６から切り離される。Ｖ選択手段７は、以降、このような動作を、選択行２２、ＦＤ電子シャッター行２４、ならびにフォトダイオード電子シャッター行２６を順次矢印Ａ（図１０）の方向に１行ずつシフトさせつつ実行する。
【００７７】
以上の動作において、図１０に示したフォトダイオード電子シャッター行２６は、選択行２２につづく６行が選択された後、選択されて選択行となり、その段階で上述したタイミングＴ１〜Ｔ６で行われた図１０に示した選択行２２に関する動作と同じ動作がフォトダイオード電子シャッター行２６（新たな選択行２２）において行われる。したがって、タイミングＴ４で、フォトダイオード電子シャッター行２６の画素に転送パルス１３４を供給してフォトダイオード１２２の信号電荷をＦＤ部１２４に転送させ、さらにタイミングＴ５ａでリセットパルスを供給してＦＤ部１２４をリセットすることは、画素行（フォトダイオード電子シャッター行２６）が後にＶ選択手段７により選択されるのに先だって、その画素のフォトダイオード１２２およびＦＤ部１２４をリセットしていることになる（本発明に係る第４のタイミング制御ステップ）。ここで、フォトダイオード電子シャッター行２６に転送パルスおよびリセットパルスを供給するＶ選択手段７は、タイミングジェネレーター６と共に本発明に係る第４のタイミング制御手段として動作している。
【００７８】
このように、第３の実施の形態例では、フォトダイオード電子シャッター行２６を設定してフォトダイオード１２２を先行してリセットするので、フォトダイオード１２２における電荷蓄積時間は、選択行２２からフォトダイオード電子シャッター行２６までの行数に相当する時間となる。よって、この行数を種々に調整することで、フォトダイオード１２２における電荷蓄積時間を変更することができ、第１の実施の形態例と同様の効果が得られることに加えて、通常レベルの入射光量に対して感度の調整を行うことが可能となる。
【００７９】
なお、この第３の実施の形態例では、ＦＤ電子シャッター行２４の画素に対してタイミングＴ２でもリセットパルス１３４を供給するとしたが、このタイミングではリセットパルスを供給せず、タイミングＴ５ａにおいてのみリセットパルスを供給するようにしてもよく、その場合にも、ＦＤ電子シャッター行２４が後に選択されるのに備えてあらかじめＦＤ部１２４をリセットすることができる。また、最初の実施の形態例の場合のように、タイミング６以降のタイミングでＦＤ部１２４をリセットするようにすることも無論可能である。
ただし、選択行２２、ＦＤ電子シャッター行２４、ならびにフォトダイオード電子シャッター行２６の各行の画素を共通にタイミング制御し、設計を容易にするという点では、ＦＤ電子シャッター行２４に対して選択行２２などと同一のタイミングでリセットパルスを供給する方式とする方が有利である。
【００８０】
さらに、第３の実施の形態例では、フォトダイオード電子シャッター行２６の画素に対して、選択行２２の画素と同じタイミングで、リセットパルス１３４および転送パルス１３２を供給するとしたが、フォトダイオード電子シャッター行２６に対するこのようなタイミング制御は、フォトダイオード電子シャッター行２６のフォトダイオード１２２およびＦＤ部１２４を先行してリセットすることが目的であるから、選択行２２とは異なるタイミングでフォトダイオード１２２およびＦＤ部１２４をリセットする構成とすることも無論可能である。
【００８１】
次に、本発明の第４の実施の形態例について説明する。
図１１は、本発明の第４の実施の形態例としての固体撮像装置の全体を示す構成図である。図中、図２と同一の要素には同一の符号が付されている。
本実施の形態例の固体撮像装置３４では、図１に示したＳ／Ｈ・ＣＤＳ部１０、１１２に代えてＣＤＳ・ＡＧＣ部１０Ａ、１１４Ａが設けられ、また信号合成・Ａ／Ｄ変換部２８、通信部３０が新たに設けられ、さらに水平信号線１１６はバスライン１１６Ａに置き換えられている。
【００８２】
ＣＤＳ・ＡＧＣ部１０Ａ、１１４Ａは、図２のＳ／Ｈ・ＣＤＳ部１０、１１２にＡＧＣ（自動利得制御）の機能を加えたものであり、オフセット分を除去した広Ｄ電圧および通常光検出電圧に対しレベル調整を行った上でこれらの電圧をそれぞれ出力する。
そして、信号合成・Ａ／Ｄ変換部２８は、ＣＤＳ・ＡＧＣ部１０Ａ、１１４Ａからの広Ｄ電圧および通常光検出電圧を合成して１つのダイナミックレンジの広い光検出電圧とし、さらにデジタル信号に変換して出力する。このデジタル信号は、Ｈ選択手段１０８により順次バスラインに読み出され、デジタル出力端子３２を通じて出力される。
通信部３０は、モード制御端子３６を通じて入力されるモード制御信号にもとづいて、タイミングジェネレータ６の動作を制御し固体撮像装置３４の駆動モードを制御する。
【００８３】
従って、第４の実施の形態例の固体撮像装置３４では、フォトダイオードへの入射光量が通常レベルの場合の光検出結果と、過大である場合の光検出結果とが合成された状態で出力されるので、外部に信号合成のための回路を設ける必要がない。また、通信部３０を通じて固体撮像装置３４の動作を種々に制御することができ動作における柔軟性が増す。
【００８４】
【発明の効果】
以上説明したように本発明の固体撮像装置では、選択行の画素において第１のタイミング制御手段の制御により電荷電圧変換手段がリセットされる前に、第２のタイミング制御手段による制御によって、電荷電圧変換手段が生成している第２の電圧がバッファー手段を通じ信号線に出力される。また、画素行が第１のタイミング制御手段により選択されるのに先だち、画素行の各画素の電荷電圧変換手段が第３のタイミング制御手段による制御のもとであらかじめリセットされる。したがって、上記第２の電圧は、入射光量が過大な場合に、第３のタイミング制御手段の制御により電荷電圧変換手段がリセットされた後、フォトダイオードが生成した過剰な信号電荷が溢れ電荷電圧変換手段に移動して蓄積し、その結果、電荷電圧変換手段が生成した電圧である。
【００８５】
すなわち、本発明の固体撮像装置では、入射光量が過大でフォトダイオードが生成した信号電荷がフォトダイオードから電荷電圧変換手段へ溢れた場合でも、溢れた信号電荷の量に対し直線的に変化する電圧が電荷電圧変換手段により生成され第２の電圧として信号線に出力される。よって、入射光量が通常の大きさの場合は上記第１の電圧を用い、入射光量が過大な場合は第２の電圧を用いて画像信号を生成することで、入射光量が過大な場合でも入射光量に対し直線的に大きさが変化する画像信号を得ることがき、広ダイナミックレンジの撮影が可能となる。
【００８６】
そして、ラインメモリーやフレームメモリーを用いたり、画素行の行間での演算処理を行ったりする必要がないので、構成および処理内容が簡素であり、装置の小型化に有利であるとともに、製造コストが特に上昇することもない。
さらに、画素の構成は従来と同じであるから、画素のサイズが大きくなることがなく、この点でも固体撮像装置の小型化に有利である。
また、入射光量がきわめて大きく、上記第２の電圧が入射光量の対数に対応した大きさとなる場合、対数変換にコンデンサーなどは使用しないので、残像の問題がなく、そして、雑音の少ない埋め込みフォトダイオードを使用できるため、画質の点で性能が低下することもない。
【００８７】
また、本発明の固体撮像装置の駆動方法では、第１のタイミング制御ステップで選択行の画素において電荷電圧変換手段をリセットする前に、第２のタイミング制御ステップで、電荷電圧変換手段が生成している第２の電圧をバッファー手段を通じ信号線に出力する。また、画素行を第１のタイミング制御ステップで選択するのに先だち、画素行の各画素の電荷電圧変換手段を第３のタイミング制御ステップにおいてあらかじめリセットする。したがって、上記第２の電圧は、入射光量が過大な場合に、第３のタイミング制御ステップで電荷電圧変換手段をリセットした後、フォトダイオードが生成した過剰な信号電荷が溢れ電荷電圧変換手段に移動して蓄積し、その結果、電荷電圧変換手段が生成した電圧である。
【００８８】
すなわち、本発明の固体撮像装置の駆動方法では、入射光量が過大でフォトダイオードが生成した信号電荷がフォトダイオードから電荷電圧変換手段へ溢れた場合でも、溢れた信号電荷の量に対し直線的に変化する電圧が電荷電圧変換手段により生成され第２の電圧として信号線に出力される。よって、入射光量が通常の大きさの場合は上記第１の電圧を用い、入射光量が過大な場合は第２の電圧を用いて画像信号を生成することで、入射光量が過大な場合でも入射光量に対し直線的に大きさが変化する画像信号を得ることがき、広ダイナミックレンジの撮影が可能となる。
【００８９】
そして、ラインメモリーやフレームメモリーを用いたり、画素行の行間での演算処理を行ったりする必要がないので、固体撮像装置の構成および処理内容が簡素であり、装置の小型化に有利であるとともに、製造コストが特に上昇することもない。
さらに、画素の構成は従来と同じでよいため、画素のサイズが大きくなることがなく、この点でも固体撮像装置の小型化に有利である。
また、入射光量がきわめて大きく、上記第２の電圧が入射光量の対数に対応した大きさとなる場合、対数変換にコンデンサーなどは使用しないので、残像の問題がなく、そして、雑音の少ない埋め込みフォトダイオードを使用できるため、画質の点で性能が低下することもない。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による固体撮像装置の一例を構成する画素周辺を示す回路図である。
【図２】実施の形態例の固体撮像装置の全体を示す構成図である。
【図３】図１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４】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５】第２の実施の形態例の固体撮像装置を構成する画素周辺を示す回路図である。
【図６】第２の実施の形態例における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７】Ｓ／Ｈ・ＣＤＳ回路を詳しく示す回路図である。
【図８】第２の実施の形態例の動作を示すタイミングチャートである。
【図９】第３の実施の形態例の動作を示すタイミングチャートである。
【図１０】第３の実施の形態例におけるフォトダイオード先行リセット行、ＦＤ電子シャッター行、ならびに選択行の関係を示す説明図である。
【図１１】本発明の第４の実施の形態例としての固体撮像装置の全体を示す構成図である。
【図１２】従来の固体撮像装置を示す構成図である。
【図１３】図１２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１４】図１３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、２２……選択行、２４……ＦＤ電子シャッター行、２６……フォトダイオード電子シャッター行、１０４……画素部、１２０……画素、１３６……垂直信号線。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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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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