JP2003219277A - 固体撮像装置およびその駆動方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 光電変換素子の飽和電荷量が小さい場合に
も、出力を１系統とした簡易な構成で良好な広ダイナミ
ックレンジの撮影を行う。 【解決手段】 Ｖ選択手段１０６によって撮像画素部１
０４のシャッタ行２２０と選択行２３０を順次シフトさ
せていく。そして、シャッタ行２２０となった画素１２
０では、ＦＤ部１２４のリセットの後に光電変換素子
（フォトダイオード１２２）の信号電荷をＦＤ部１２４
に転送する。この後、選択行２３０となった画素１２０
では、ＦＤ部１２４のリセットよりも前に光電変換素子
１２２の信号電荷をＦＤ部１２４に転送する。この結
果、暗いところは敏感で明るいところは鈍感なニーポイ
ントを持った信号を出力することができ、光電変換素子
１２２の飽和電荷量が小さい場合にも、また、出力を１
系統とした簡易な構成で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。

Description

【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ＣＭＯＳ型イ
メージセンサに適用される固体撮像装置およびその駆動
方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来より、ＣＭＯＳ型イメージセンサで
は、半導体チップ上に２次元マトリクス状に多数の画素
を配置して撮像画素部を構成しており、各画素毎に受光
量に応じた信号電荷を生成するフォトダイオード等の光
電変換素子と、この光電変換素子によって生成された信
号電荷を電気信号に変換して所定のタイミングで読み出
すための複数のＭＯＳトランジスタで構成されるゲート
回路とを設けたものである。また、このような撮像画素
部の周辺には、各画素からの信号に対してＣＤＳ（相関
二重サンプリング）等の信号処理を行う信号処理回路
と、各画素のゲート回路を駆動して各画素の信号を所定
の順序で読み出すための垂直／水平スキャナ回路や、電
子シャッタを切るためのシャッタスキャナ回路が設けら
れている。

【０００３】図１１は、従来のＣＭＯＳ型イメージセン
サにおける画素列選択動作を示す説明図である。図示の
ように、撮像画素部１０には２次元マトリクス状に多数
の画素１２が配置されており、各画素１２の信号電荷を
リセットする電子シャッタ行１４と、画素信号の読み出
しを行う選択行１６が所定の行数だけ間隔を開けて選択
され、矢印Ａ方向に順次シフトされる。そして、電子シ
ャッタ行１４の各画素１２では、各画素１２のフォトダ
イオードに蓄積されている光電子（電荷）を捨てる動作
が行われる。また、選択行１６の各画素１２では、各画
素１２のフォトダイオードに蓄積されている光電子を電
気信号に変換し、出力信号線を介して信号処理回路に出
力する動作が行われる。これにより、各画素１２の出力
信号は、各画素１２が電子シャッタ行１４で選択されて
から、選択行１６で選択されるまでの期間に、フォトダ
イオードに蓄積された光電子量に対応するレベルの信号
となる。したがって、電子シャッタ行１４と選択行１６
の間隔をいろいろ変えることにより、光電子の蓄積時間
を変えて感度を調節することができる。これが従来の電
子シャッタ機能である。

【０００４】しかし、このような方法では、画像に明る
いところと暗いところが共存するときに、明るいところ
に合わせるようにシャッタ時間を調節すると、暗いとこ
ろの感度が足りなくなり、暗いところに合わせるように
シャッタ時間を調節すると、明るいところのフォトダイ
オードが飽和して真っ白に飛んでしまう、つまり、ダイ
ナミックレンジが狭いという問題点があった。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】そこで、最近は、ダイ
ナミックレンジを拡大する方法の１つとして、例えば特
開２００１−１７７７７５号公報に開示されるものがあ
る。これは、上述のような選択行において、フォトダイ
オードの信号を複数回に分けて読み出すものである。し
かしながら、この方法では、近年の撮像素子における微
細化や低電圧化に伴ってフォトダイオードの飽和電子数
が小さくなると、１回の転送でＦＤ（フローティングデ
ィフュージョン）部の十分な電位を満たすことがなくな
るので、その場合は、複数回の読み出し動作を実行して
も２回目以降は十分な信号が出なくなり、ダイナミック
レンジが増加しない。また、１つの選択行で、続けて２
回以上の読出し動作を行わなければならないので、画素
列シフトの高速化が難しい。

【０００６】また、画素毎の固定パターンノイズを取る
ために、リセット時の信号レベルと光電子蓄積時の信号
レベルとの差を取るＣＤＳ（相関二重サンプリング）処
理を行う場合は、１つの選択行で２つのの画素信号の読
み出しを行うために、２回のリセット動作と２回の光電
子蓄積動作を行うことが必要となり、リセットレベルと
光電子蓄積レベルの合計４回の検出を行わなければなら
ない。また、複数回に分けて読み出した複数の画素信号
を合成する方法であるため、後段に合成回路が必要とな
り、回路が大型化したり、合成部分のばらつきや画素列
ごとに設けられた合成回路同士のばらつきが発生したり
する問題がある。

【０００７】また、本件出願人は、これらの問題を解決
すべく、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
撮像装置および駆動方法を提案している（例えば特願２
００１−２０１６０１号、特願２００１−２７６５２９
号、特願２００１−２８６４５７号参照、以下、これら
を先行出願という）。しかし、これらの提案に係る固体
撮像装置では、出力が２系統になり、やはり回路が大型
化するという課題がある。

【０００８】そこで本発明の目的は、出力を１系統とし
た簡易な構成で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その駆動方法を提供
することにある。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明の固体撮像装置
は、前記目的を達成するため、複数の画素がマトリクス
状に配列された撮像画素部と、前記撮像画素部の水平方
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画素行の各画素を画
素駆動配線を介して駆動する画素駆動手段と、前記各画
素の信号を出力信号線を介して入力し、所定の信号処理
を行う信号処理手段とを有し、前記撮像画素部の各画素
は、光電変換素子と、前記光電変換素子が変換して蓄積
した信号電荷をフローティングディフュージョン部に転
送する転送手段と、前記フローティングディフュージョ
ン部の電位をリセットするリセット手段と、前記フロー
ティングディフュージョン部の電位に対応する出力信号
を出力する増幅手段とを備えた固体撮像素子であって、
前記垂直選択手段は、前記撮像画素部の少なくとも２つ
の画素行をシャッタ行と選択行として選択し、順次シフ
トさせていく機能を備え、前記画素駆動手段は、前記垂
直選択手段によって選択されたシャッタ行では前記フロ
ーティングディフュージョン部のリセットの後に、前記
光電変換素子の信号電荷をフローティングディフュージ
ョン部に転送する動作を行い、前記垂直選択手段によっ
て選択された選択行では前記フローティングディフュー
ジョン部のリセットをせずに、または、前記フローティ
ングディフュージョン部のリセット前に、前記光電変換
素子の信号電荷をフローティングディフュージョン部に
転送し、この転送後の出力信号を前記信号処理手段に出
力させる機能をを備えたことを特徴とする。

【００１０】また本発明の駆動方法は、複数の画素がマ
トリクス状に配列された撮像画素部と、前記撮像画素部
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画素行の各
画素を画素駆動配線を介して駆動する画素駆動手段と、
前記各画素の信号を出力信号線を介して入力し、所定の
信号処理を行う信号処理手段とを有し、前記撮像画素部
の各画素が、光電変換素子と、前記光電変換素子が変換
して蓄積した信号電荷をフローティングディフュージョ
ン部に転送する転送手段と、前記フローティングディフ
ュージョン部の電位をリセットするリセット手段と、前
記フローティングディフュージョン部の電位に対応する
出力信号を出力する増幅手段とを備えた固体撮像装置の
駆動方法であって、前記垂直選択手段では、前記撮像画
素部の少なくとも２つの画素行をシャッタ行と選択行と
して選択し、順次シフトさせていき、前記画素駆動手段
では、前記垂直選択手段によって選択されたシャッタ行
では前記フローティングディフュージョン部のリセット
の後に、前記光電変換素子の信号電荷をフローティング
ディフュージョン部に転送する動作を行い、前記垂直選
択手段によって選択された選択行では前記フローティン
グディフュージョン部のリセットをせずに、または、前
記フローティングディフュージョン部のリセット前に、
前記光電変換素子の信号電荷をフローティングディフュ
ージョン部に転送し、この転送後の出力信号を前記信号
処理手段に出力させるようにしたことを特徴とする。

【００１１】本発明の固体撮像素子では、垂直選択手段
によってシャッタ行と選択行を順次シフトさせていき、
シャッタ行ではフローティングディフュージョン部のリ
セットの後に光電変換素子の信号電荷をフローティング
ディフュージョン部に転送し、選択行では少なくともフ
ローティングディフュージョン部のリセットよりも前に
光電変換素子の信号電荷をフローティングディフュージ
ョン部に転送するようにしたことから、暗いところは敏
感で明るいところは鈍感なニーポイントを持った信号を
出力することができる。したがって、光電変換素子の飽
和電荷量が小さい場合にも、広ダイナミックレンジ化を
図ることができ、また、出力を１系統とした簡易な構成
で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。

【００１２】また、本発明の固体撮像装置の駆動方法で
も同様に、垂直選択手段によってシャッタ行と選択行を
順次シフトさせていき、シャッタ行ではフローティング
ディフュージョン部のリセットの後に光電変換素子の信
号電荷をフローティングディフュージョン部に転送し、
選択行では少なくともフローティングディフュージョン
部のリセットよりも前に光電変換素子の信号電荷をフロ
ーティングディフュージョン部に転送するようにしたこ
とから、暗いところは敏感で明るいところは鈍感なニー
ポイントを持った信号を出力することができる。したが
って、光電変換素子の飽和電荷量が小さい場合にも、広
ダイナミックレンジ化を図ることができ、また、出力を
１系統とした簡易な構成で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。

【００１３】

【発明の実施の形態】以下、本発明による固体撮像素子
およびその駆動方法の実施の形態例について説明する。
なお、以下に説明する実施の形態は、本発明の好適な具
体例であり、技術的に好ましい種々の限定が付されてい
るが、本発明の範囲は、以下の説明において、特に本発
明を限定する旨の記載がない限り、これらの態様に限定
されないものとする。本実施の形態では、シャッタ行で
ＦＤリセット→電荷転送の順に駆動し、選択行で電荷転
送→ＣＤＳ取り込み→ＦＤリセット→ＣＤＳ取り込みの
順に駆動することで、暗いところは敏感で明るいところ
は鈍感な、いわゆるニーポイントを持った１系統の出力
による広ダイナミックレンジ化を達成するものである。
これにより、ＣＤＳ回路を２組用意する必要が無く、こ
れまでのニーポイント出力の技術が使えるようになる。
以下、本発明の具体的実施例について説明する。

【００１４】図１は、本発明の実施の形態による固体撮
像装置を示す構成図、図２は図１に示した固体撮像装置
を構成する１つの画素周辺を示す回路図、図３は図１に
示した固体撮像装置の画素列選択動作を示す説明図、図
４は図１に示した固体撮像装置の動作を示すタイミング
チャートである。本実施の形態による固体撮像装置１０
２は、具体的にはＣＭＯＳ型イメージセンサであり、半
導体基板上に形成された撮像画素部１０４、Ｖ選択手段
１０６、Ｈ選択手段１０８、タイミングジェネレータ１
１０（ＴＧ）、Ｓ／Ｈ・ＣＤＳ部１１２、定電流部１１
４Ａなどを含んでいる。撮像画素部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１
１６から出力部１１８を通じて出力される構成となって
いる。

【００１５】図２に示したように、画素１２０は、光電
変換素子としてのフォトダイオード１２２、転送される
電荷量に応じた電位変動を得るためのフローティングデ
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１２
４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の電位変動に応じた電圧
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。

【００１６】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。

【００１７】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ＭＯＳＦ
ＥＴから成る選択トランジスタ１３８が介在し、そのゲ
ートにはＶ選択手段１０６から選択パルス１４０が供給
される。そして、増幅トランジスタ１３０のソースは選
択トランジスタ１３８のドレインに接続され、選択トラ
ンジスタ１３８のソースは垂直信号線１３６に接続され
ている。

【００１８】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の選択トランジスタ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、撮像画素部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、撮
像画素部１０４の外に配置されたＳ／Ｈ・ＣＤＳ部１１
２に接続されている。

【００１９】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１４６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から得られる電圧（光検出電圧）、およびリセ
ット時のＦＤ部１２４から得られる電圧（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１４
６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。

【００２０】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１１
０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。

【００２１】以上のような構成は本質的に従来と同様の
ものであり、本発明の特徴は以下に説明する駆動タイミ
ングにある。本実施の形態の固体撮像装置では、図３に
示すように、撮像画素部１０４には２次元マトリクス状
に多数の画素１２０が配置されており、各画素１２０の
信号電荷をリセットする第１シャッタ行２１０および第
２シャッタ行２２０と画素信号の読み出しを行う選択行
２３０が所定の行数だけ間隔を開けて選択され、矢印Ａ
方向に順次シフトされる。

【００２２】そして、第１シャッタ行２１０の各画素１
２０では、各画素１２０のフォトダイオード１２２に蓄
積されている光電子を捨てるリセット動作は行う。な
お、ここではフォトダイオード（光電変換素子）１２２
だけをリセットしているが、フォトダイオード１２２に
加えてＦＤ部１２４をリセットするようにしても構わな
い。ＦＤ部１２４をリセットする場合以外のフォトダイ
オード１２２のリセット方法としては、基板に電圧を印
加してフォトダイオード１２２の電荷を基板に排出させ
る、もしくは、ＦＤ部１２４とは別に電荷排出部を設け
ることが考えられる。また、第２シャッタ行２２０の各
画素１２０では、ＦＤ部１２４のリセット動作を行い、
その後、フォトダイオード１２２に蓄積された光電子を
ＦＤ部１２４に転送する。また、選択行２３０の各画素
１２０では、各画素１２０のフォトダイオード１２２に
蓄積されている光電子をＦＤ部１２４に転送し、このＦ
Ｄ部１２４に転送された光電子を増幅トランジスタ１３
０および選択トランジスタ１３８によって垂直信号線１
３６に読み出す動作を行う。この後、各画素１２０のＦ
Ｄ部１２４をリセットし、その信号を同時に垂直信号線
１３６に読み出す動作を行う。また、以上のシャッタ行
２１０、２２０および選択行２３０以外の画素行では何
も動作を行わないことになる。

【００２３】次に、このような動作を図４に基づき説明
する。なお、この図４では、１行期間のうち画素を駆動
するところを取り出して示しており、実際にはｔ０の画
素を駆動しない期間が大部分を占めるものである。ま
ず、画素１２０に第１シャッタ行２１０が来ると、ｔ９
でＦＤ部１２４がリセットされ、ｔ１１でフォトダイオ
ード１２２の光電子がＦＤ部１２４に転送される。よっ
て、ここでは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への光電子の
蓄積が始まる。次に、第２シャッタ行２２０が来ると、
画素１２０は、ｔ８で選択トランジスタ１３８がＯＮし
て垂直信号線１３６の電位が第２シャッタ行２２０のＦ
Ｄ電位に追随するようになる。次に、ｔ９でＦＤ部１２
４をリセットして、ｔ１１でフォトダイオード１２２の
光電子をＦＤ部１２４に転送する。これにより、フォト
ダイオード１２２には新たに光電子が蓄積され始める。
また、ｔ１３で、選択トランジスタ１３８をＯＦＦす
る。

【００２４】次に、選択行２３０が来ると、画素１２０
は、ｔ１〜ｔ７の期間に駆動される。ここで画素１２０
は、ｔ１で選択トランジスタ１３８がＯＮして垂直信号
線１３６の電位が選択行２３０のＦＤ電位に追随するよ
うになる。次に、ｔ３でフォトダイオード１２２の光電
子をＦＤ部１２４に転送する。そして、ｔ５でＦＤ部１
２４をリセットする。Ｓ／Ｈ・ＣＤＳ回路１４６は、ｔ
４とｔ６の垂直信号線１３６の電位を取り込み、この２
つの電位の差を保持する。この後、ｔ７で、選択トラン
ジスタ１３８をＯＦＦする。Ｓ／Ｈ・ＣＤＳ回路１４６
の出力は、Ｈ選択手段１０８によって順番に水平信号線
１１６に読み出され、出力部１１８を通して出力され
る。

【００２５】このような動作で特徴となるのは以下の点
である。 （１）第２シャッタ行２２０ではリセットパルスの後に
転送パルスが入る。 （２）選択行２３０ではリセットパルスより前に転送パ
ルスが入る。 このような動作により、上述した先行出願と異なり１系
統の出力で信号処理を行うことができ、また、上述した
特開２００１−１７７７７５号の従来技術と違って、フ
ォトダイオードの飽和信号量が小さい場合にも広ダイナ
ミックレンジ化を達成することが可能となる。

【００２６】以下、その理由について説明する。図５
は、フォトダイオードからドレインまでの画素１２０の
断面構造とポテンシャルを示す説明図であり、図５
（Ａ）が断面構造、図５（Ｂ）〜（Ｅ）がポテンシャル
を示している。なお、図５（Ｂ）〜（Ｅ）において、縦
軸は下方向にプラスのポテンシャルを示しており、左側
の番号は、図４に示す各タイミングの番号を示してい
る。また、図６は、本例の固体撮像素子における出力特
性を示す説明図であり、縦軸はＦＤ電荷量、横軸は入射
光量を示している。図５（Ａ）において、Ｓｉ基板１６
０に形成されたＰｗｅｌｌ領域１６２に、ｐ＋領域とｎ
領域からなるフォトダイオード１２２、ＦＤ部１２４、
およびドレイン部１６４が配置され、Ｓｉ基板１６０上
にゲート絶縁膜１６６を介して転送ゲート電極１６８、
リセットゲート電極１７０が配置されている。

【００２７】次に、図５（Ｂ）〜（Ｅ）によるポテンシ
ャル遷移図および図６の出力特性図を用いて本例の詳細
な作用について説明する。ここでは一例として、第１シ
ャッタ行２１０から第２シャッタ行２２０までの間隔を
４００行、第２シャッタ行２２０から選択行２３０まで
の間隔を５行とする。まず、画素１２０に第１シャッタ
行２１０が来たとき、フォトダイオード１２２がリセッ
トされ、ここから光電子の蓄積が開始される。次いで、
画素１２０に第２シャッタ行２２０が来たとき、ＦＤ部
１２４をリセットした後、ｔ１１（図５（Ｂ））で４０
０行分のフォトダイオード１２２の信号１がＦＤ部１２
４に転送される。この信号１は、蓄積時間が長いので、
図６のａに示すように、光量に対して敏感であるが、フ
ォトダイオード１２２の飽和レベルで決まる値ですぐに
飽和する信号である。

【００２８】次に、ｔ１２（図５（Ｃ））は、転送ゲー
トが閉まり、フォトダイオード１２２に光電子蓄積が始
まったところである。ここで、その画素１２０に選択行
２３０が来たときに、フォトダイオード１２２には５行
分の信号２が溜まっており、ｔ２の時点では、図５
（Ｄ）に示すようなポテンシャルとなる。そして、この
信号２をｔ３（図５（Ｅ））でＦＤ部１２４に転送す
る。この信号２は、蓄積期間が短いので、信号１より８
０倍光量に鈍感な信号であり、入射光量との関係では図
６のｂに示すような信号となる。ここで、さらに強い光
では、信号２はフォトダイオード１２２を溢れ、ＦＤ部
１２４に流れ込んだものを含むので、信号１と異なり、
フォトダイオード１２２の飽和で上限が決まるわけでは
ない。

【００２９】また、ｔ３で、信号１と信号２の和がＦＤ
部１２４に溜められる。これを読み出すことで、図６の
ｃに示すように、光量の小さいところでは急で、大きい
ところでは変化の小さい信号を読み出すことができる。
なお、上限は、ＦＤ部１２４の飽和レベルで決まる。こ
のようにして、暗いところは敏感で、明るいところは鈍
感な、いわゆるニーポイントＮＰを持った信号を出力す
ることができ、フォトダイオード１２２の飽和レベルが
小さい場合にも、広ダイナミックレンジ化を図ることが
できる。なお、図５のポテンシャル図からも特開２００
１−１７７７５号に示された従来技術との違いは明らか
である。

【００３０】なお、以上のような実施例において、第１
シャッタ行を単純に使わないような構成とすることもで
きる。その場合は、信号１が前の選択行から第２シャッ
タ行までの光信号になる。これは図１１に示す従来例の
電子シャッタ動作に似ているが、図１１に示す従来例で
は、選択行でＦＤ部をリセットした後にフォトダイオー
ドの電荷を転送して、電子シャッタ行から選択行までの
光信号を検出していたのに対し、本例で第１シャッタ行
を使わない場合は、前の選択行から第２シャッタ行まで
の光電子と、第２シャッタ行から選択行までの光信号の
和を検出するので、図１１の電子シャッタ動作と異な
り、広ダイナミックレンジ化を実現できる。

【００３１】また、駆動パルスの入れ方は種々の変形が
可能である。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、この代わりに、第
１シャッタ行と第２シャッタ行を別の期間にしても良
い。例えば、第１シャッタ行と第２シャッタ行の駆動期
間をずらしたり、第１シャッタ行も、その期間で選択ゲ
ートを開けるようにしても良い。また、その他にも上記
と同じ結果を得るための駆動パルスの入れ方は種々採用
できるものである。また、本例ではＣＤＳ回路を用いて
いる。これは、画素毎の増幅トランジスタのしきい値の
ばらつきによる固定パターンノイズをキャンセルするた
めのものであるが、固定パターンノイズが小さい場合は
必須ではない。そこで、この場合は、選択行は転送パル
スの後の信号のみを読み出せばよく、リセットパルスは
必ずしも必要ない。

【００３２】次に、本発明の第２実施例について説明す
る。この第２実施例において回路構成および駆動パルス
は、上述した実施例（すなわち第１実施例）の図１、図
２、図４で説明したものと共通である。そして、この第
２実施例が第１実施例と異なる１つの点は、電子シャッ
タ行（すなわち第２シャッタ行）が選択行の直前の行を
常に選択することである。つまり、図７に示すように、
本例では、第２シャッタ行２２０と選択行２３０が連続
する画素行となっている。また、ＣＤＳ回路の信号取り
込みタイミングが異なる。図４を参照して説明すると、
ＣＤＳ回路の信号取り込みは、第２シャッタ行の出力が
垂直信号線に出ているｔ１０のタイミングと、次の行に
進んで選択行の出力が垂直信号線に出ているｔ４のタイ
ミングで行う。ＣＤＳ回路はこの差を出力する。

【００３３】このような動作では、ＣＤＳ回路にはＦＤ
部のリセットレベルが先に入り、それからＦＤに転送さ
れた光電子のレベルが入る。したがって、この差はＦＤ
部に転送された電子の純増分であり、リセットノイズが
無いものとなる。つまり、第１実施例では、先に光電子
のレベルが入って、それをリセットしたレベルが後に入
るので、その差を取ってもリセットのばらつき（リセッ
トノイズ）が載っていたが、この第２実施例では、この
ようなリセットノイズの影響をなくすことができ、画質
を向上することができる。

【００３４】次に、本発明の第３実施例について説明す
る。図８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８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実施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８では、Ｓ／Ｈ・
ＣＤＳ回路１４６や出力部１１８をまとめてＣＤＳ・Ａ
ＧＣ部２６０とし、その信号を合成する信号合成・Ａ／
Ｄ部２６２、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２６４等を表しているが、本質的には図１
に示す固体撮像装置２と同様であるため説明は省略す
る。

【００３５】また、上述した各実施例で説明したＳ／Ｈ
・ＣＤＳ回路１４６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９及び図１０はＳ／Ｈ・ＣＤＳ回路１４６の具体例を
示す回路図である。図９は図２に示す画素１２０にＳ／
Ｈ・ＣＤＳ回路１４６が接続された状態をを示してい
る。このＳ／Ｈ・ＣＤＳ回路１４６は、トランジスタ３
５６、３５８、コンデンサ３６０、３６２、ならびに水
平選択トランジスタ３６４を含んで構成されている。ト
ランジスタ３５６のドレインは垂直信号線１３６に、ソ
ースはコンデンサ３６０の一端にそれぞれ接続されてお
り、トランジスタ３５６のゲートにはタイミングジェネ
レータ１１０より第２のサンプリングパルス１５０が供
給される。

【００３６】また、トランジスタ３５８のドレインはバ
イアス電圧源Ｖｂに、ソースはコンデンサ３６０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１１０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３６０の上記他端とグランドと
の間にはコンデンサ３６２が接続され、コンデンサ３６
０の上記他端にはさらに水平選択トランジスタ３６４の
ドレインが接続されている。水平選択トランジスタ３６
４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より選択パルスが供給される。

【００３７】一方、図１０に示すＳ／Ｈ・ＣＤＳ回路１
４６は、差動増幅回路３５５、トランジスタ３５６Ａ、
３５６Ｂ、コンデンサ３６２Ａ、３６２Ｂ、ならびに水
平選択トランジスタ３６４を含んで構成されている。ト
ランジスタ３５６Ａ、３５６Ｂ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３５６
Ａ、３５６Ｂのソースは差動増幅回路３５５の入力端
子、およびコンデンサ３６２Ａ、３６２Ｂの一端に接続
されており、トランジスタ３５６Ａ、３５６Ｂのゲート
にはタイミングジェネレータ１１０よりサンプリングパ
ルス１４８、１５０が供給される。また、差動増幅回路
３５５の出力端子は、水平選択トランジスタ３６４のド
レインに接続され、水平選択トランジスタ３６４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より選択パルスが供給される。

【００３８】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・Ｃ
ＤＳ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。

【００３９】以上のような本発明の各実施例によれば、
次のような効果を得ることが可能である。 （１）飽和電荷量の小さなフォトダイオードを用いて、
ダイナミックレンジの広い固体撮像装置を得ることがで
きる。 （２）ニーポイントを持った信号を出力し、ニーポイン
ト前後の感度比はシャッタ行の位置から明確に計算でき
る。 （３）２つのシャッタ行の位置を調節することで、ニー
ポイント前後の感度は独立に可変である。

【００４０】（４）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の良い固体撮像
素子を構成できる。 （５）画素に新たな構成要素を加えないでよいので、画
素が大きくならず、小型化を維持できる。 （６）従来の電子シャッタよりも読出し期間を多く取る
必要が無く、高速駆動を実現できる。 （７）複数回の動作で読み出した信号を後段で合成する
回路を設ける必要は無く、回路が大型化しない。その分
の回路のばらつきに起因する固定パターンノイズも発生
しない。

【００４１】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。また、上述の例では、各画素
列ごとにＣＤＳ回路を設けたが、この代わりに、転送後
とリセット後の信号を両方出力して外部でＣＤＳ処理を
行うようにしても良く、ＣＤＳ処理の方法は本発明の本
質に影響しないものである。

【００４２】

【発明の効果】以上説明したように本発明の固体撮像素
子によれば、シャッタ行と選択行を順次シフトさせてい
き、シャッタ行ではフローティングディフュージョン部
のリセットの後に光電変換素子の信号電荷をフローティ
ングディフュージョン部に転送し、選択行では少なくと
もフローティングディフュージョン部のリセットよりも
前に光電変換素子の信号電荷をフローティングディフュ
ージョン部に転送するようにしたことから、暗いところ
は敏感で明るいところは鈍感なニーポイントを持った信
号を出力することができるので、光電変換素子の飽和電
荷量が小さい場合にも、また、出力を１系統とした簡易
な構成で良好な広ダイナミックレンジの撮影を行うこと
ができる効果がある。

【００４３】また、本発明の固体撮像装置の駆動方法に
よれば、シャッタ行と選択行を順次シフトさせていき、
シャッタ行ではフローティングディフュージョン部のリ
セットの後に光電変換素子の信号電荷をフローティング
ディフュージョン部に転送し、選択行では少なくともフ
ローティングディフュージョン部のリセットよりも前に
光電変換素子の信号電荷をフローティングディフュージ
ョン部に転送するようにしたことから、暗いところは敏
感で明るいところは鈍感なニーポイントを持った信号を
出力することができるので、光電変換素子の飽和電荷量
が小さい場合にも、また、出力を１系統とした簡易な構
成で良好な広ダイナミックレンジの撮影を行うことがで
きる効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１、第２実施例による固体撮像装置
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における電子シャッタ
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１実施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１実施例における出力特性を示す説
明図である。

【図７】本発明の第２実施例における電子シャッタ行と
選択行との関係を示す説明図である。

【図８】本発明の第３実施例における固体撮像装置の全
体を示す構成図である。

【図９】Ｓ／Ｈ・ＣＤＳ回路の一例を示す回路図であ
る。

【図１０】Ｓ／Ｈ・ＣＤＳ回路の他の例を示す回路図で
ある。

【図１１】従来の固体撮像装置における電子シャッタ行
と選択行との関係を示す説明図である。

【符号の説明】

２、３４……固体撮像装置、１４６……Ｓ／Ｈ・ＣＤＳ
回路、１１０……タイミングジェネレータ、１０６……
Ｖ選択手段、１１２……Ｓ／Ｈ・ＣＤＳ部、１０８……
Ｈ選択手段、１１６……水平信号線、１１８……出力
部、１０４……撮像画素部、２１０……第１シャッタ
行、２２０……第２シャッタ行、２３０……選択行、１
２０……画素、１３６……垂直信号線。

【手続補正書】

【提出日】平成１５年３月１８日（２００３．３．１
８）

【手続補正１】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００２２

【補正方法】変更

【補正内容】

【００２２】そして、第１シャッタ行２１０の各画素１
２０では、各画素１２０のフォトダイオード１２２に蓄
積されている光電子を捨てるリセット動作は行う。な
お、ここではフォトダイオード（光電変換素子）１２２
だけをリセットしているが、フォトダイオード１２２に
加えてＦＤ部１２４をリセットするようにしても構わな
い。ＦＤ部１２４をリセットする場合以外のフォトダイ
オード１２２のリセット方法としては、基板に電圧を印
加してフォトダイオード１２２の電荷を基板に排出させ
る、もしくは、ＦＤ部１２４とは別に電荷排出部を設け
ることが考えられる。また、第２シャッタ行２２０の各
画素１２０では、ＦＤ部１２４のリセット動作を行い、
その後、フォトダイオード１２２に蓄積された光電子を
ＦＤ部１２４に転送する。また、選択行２３０の各画素
１２０では、各画素１２０のフォトダイオード１２２に
蓄積されている光電子をＦＤ部１２４に転送し、このＦ
Ｄ部１２４に転送された光電子を増幅トランジスタ１３
０および選択トランジスタ１３８によって垂直信号線１
３６に読み出す動作を行う。この後、各画素１２０のＦ
Ｄ部１２４をリセットし、その信号を同様に垂直信号線
１３６に読み出す動作を行う。また、以上のシャッタ行
２１０、２２０および選択行２３０以外の画素行では何
も動作を行わないことになる。

【手続補正２】

【補正対象書類名】図面

【補正対象項目名】図１

【補正方法】変更

【補正内容】

【図１】

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 複数の画素がマトリクス状に配列された
   撮像画素部と、前記撮像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画素行の各画素を画素駆動配線を介
   して駆動する画素駆動手段と、前記各画素の信号を出力
   信号線を介して入力し、所定の信号処理を行う信号処理
   手段とを有し、 前記撮像画素部の各画素が、光電変換素子と、前記光電
   変換素子が変換して蓄積した信号電荷をフローティング
   ディフュージョン部に転送する転送手段と、前記フロー
   ティングディフュージョン部の電位をリセットするリセ
   ット手段と、前記フローティングディフュージョン部の
   電位に対応する出力信号を出力する増幅手段とを備えた
   固体撮像装置であって、 前記垂直選択手段は、前記撮像画素部の少なくとも２つ
   の画素行をシャッタ行と選択行として選択し、順次シフ
   トさせていく機能を備え、 前記画素駆動手段は、前記垂直選択手段によって選択さ
   れたシャッタ行では前記フローティングディフュージョ
   ン部のリセットの後に、前記光電変換素子の信号電荷を
   フローティングディフュージョン部に転送する動作を行
   い、前記垂直選択手段によって選択された選択行では前
   記フローティングディフュージョン部のリセットをせず
   に、または、前記フローティングディフュージョン部の
   リセット前に、前記光電変換素子の信号電荷をフローテ
   ィングディフュージョン部に転送し、この転送後の出力
   信号を前記信号処理手段に出力させる機能をを備えた、 ことを特徴とする固体撮像装置。
2. 【請求項２】 前記信号処理手段はＣＤＳ回路を有し、
   前記画素駆動手段は、前記選択行で光電変換素子からフ
   ローティングディフュージョン部への信号電荷転送後に
   フローティングディフュージョン部のリセットを行い、
   前記ＣＤＳ回路は、前記選択行における光電変換素子か
   らフローティングディフュージョン部への信号電荷転送
   後の出力信号レベルとフローティングディフュージョン
   部のリセット後の出力信号レベルとの差を取ることを特
   徴とする請求項１記載の固体撮像装置。
3. 【請求項３】 前記信号処理手段はＣＤＳ回路を有し、
   前記垂直選択手段は、連続する２つの画素行をシャッタ
   行と選択行として選択し、前記ＣＤＳ回路は、前記シャ
   ッタ行におけるフローティングディフュージョン部のリ
   セット後の出力信号レベルと、このシャッタ行が次に選
   択行となった際の光電変換素子からフローティングディ
   フュージョン部への信号電荷転送後の出力信号レベルと
   の差を取ることを特徴とする請求項１記載の固体撮像装
   置。
4. 【請求項４】 前記垂直選択手段は、前記シャッタ行の
   前に先行するシャッタ行を選択して順次シフトさせてい
   く機能を備え、この先行するシャッタ行では前記光電変
   換素子のリセットを行うことを特徴とする請求項１記載
   の固体撮像装置。
5. 【請求項５】 複数の画素がマトリクス状に配列された
   撮像画素部と、前記撮像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画素行の各画素を画素駆動配線を介
   して駆動する画素駆動手段と、前記各画素の信号を出力
   信号線を介して入力し、所定の信号処理を行う信号処理
   手段とを有し、 前記撮像画素部の各画素が、光電変換素子と、前記光電
   変換素子が変換して蓄積した信号電荷をフローティング
   ディフュージョン部に転送する転送手段と、前記フロー
   ティングディフュージョン部の電位をリセットするリセ
   ット手段と、前記フローティングディフュージョン部の
   電位に対応する出力信号を出力する増幅手段とを備えた
   固体撮像装置の駆動方法であって、 前記垂直選択手段では、前記撮像画素部の少なくとも２
   つの画素行をシャッタ行と選択行として選択し、順次シ
   フトさせていき、 前記画素駆動手段では、前記垂直選択手段によって選択
   されたシャッタ行では前記フローティングディフュージ
   ョン部のリセットの後に、前記光電変換素子の信号電荷
   をフローティングディフュージョン部に転送する動作を
   行い、前記垂直選択手段によって選択された選択行では
   前記フローティングディフュージョン部のリセットをせ
   ずに、または、前記フローティングディフュージョン部
   のリセット前に、前記光電変換素子の信号電荷をフロー
   ティングディフュージョン部に転送し、この転送後の出
   力信号を前記信号処理手段に出力させるようにした、 ことを特徴とする固体撮像装置の駆動方法。
6. 【請求項６】 前記信号処理手段にＣＤＳ回路を設け、
   前記画素駆動手段では、前記選択行で光電変換素子から
   フローティングディフュージョン部への信号電荷転送後
   にフローティングディフュージョン部のリセットを行
   い、前記ＣＤＳ回路では、前記選択行における光電変換
   素子からフローティングディフュージョン部への信号電
   荷転送後の出力信号レベルとフローティングディフュー
   ジョン部のリセット後の出力信号レベルとの差を取るこ
   とを特徴とする請求項５記載の固体撮像装置の駆動方
   法。
7. 【請求項７】 前記信号処理手段にＣＤＳ回路を設け、
   前記垂直選択手段では、連続する２つの画素行をシャッ
   タ行と選択行として選択し、前記ＣＤＳ回路では、前記
   シャッタ行におけるフローティングディフュージョン部
   のリセット後の出力信号レベルと、このシャッタ行が次
   に選択行となった際の光電変換素子からフローティング
   ディフュージョン部への信号電荷転送後の出力信号レベ
   ルとの差を取ることを特徴とする請求項５記載の固体撮
   像装置の駆動方法。
8. 【請求項８】 前記垂直選択手段では、前記シャッタ行
   の前に先行するシャッタ行を選択して順次シフトさせて
   いく機能を備え、この先行するシャッタ行では前記光電
   変換素子のリセットを行うことを特徴とする請求項５記
   載の固体撮像装置の駆動方法。