JP4770618B2 - 固体撮像装置 - Google Patents

Description

本発明は、入射光に対する電気信号を出力する画素を備える固体撮像装置に関するもので、特に構成される各画素がトランジスタによって構成される固体撮像装置に関する。

種々の用途に供されている固体撮像装置は光電変換素子で発生した光電荷を読み出す（取り出す）手段によってＣＣＤ型とＣＭＯＳ型に大きく分けられる。ＣＣＤ型は光電荷をポテンシャルの井戸に蓄積しつつ、転送するようになっており、ダイナミックレンジが狭いという欠点がある。一方、ＣＭＯＳ型はフォトダイオードのｐｎ接合容量に蓄積した電荷をＭＯＳトランジスタを通して直接読み出すようになっていた。

又、従来のＣＭＯＳ型の固体撮像素子として、入射光量に対して対数変換する対数変換動作を行うものがある（特許文献１参照）。この固体撮像素子においては、そのダイナミックレンジが５〜６桁と広いため、少々広い輝度範囲の輝度分布を構成する被写体を撮像しても、輝度分布内の全輝度情報を電気信号に変換して出力することができる。しかしながら、被写体の輝度分布に対してその撮像可能領域が広くなるので、撮像可能領域内の低輝度領域又は高輝度領域において、輝度データの無い領域ができてしまう。

これらに対して、本出願人は、上述の線形変換動作と対数変換動作とを切り換えることが可能なＣＭＯＳ型の固体撮像装置を提案している（特許文献２参照）。又、本出願人は、このような線形変換動作と対数変換動作とを自動的に切り換えるために、光電変換動作を行うフォトダイオードに接続されたトランジスタのポテンシャル状態を適当な状態に設定するＣＭＯＳ型の固体撮像装置を提案している（特許文献３参照）。この特許文献３による固体撮像装置は、トランジスタのポテンシャル状態を変更することにより、その光電変換動作が線形変換動作から対数変換動作に切りかわる変極点を切り換えることができる。

又、固体撮像装置の暗電流を低減するために、埋込型フォトダイオードを用いた固体撮像装置が提案されている（特許文献４参照）。この特許文献４の固体撮像装置は、感光素子として働く埋込型フォトダイオードＰＤと、埋込型フォトダイオードＰＤのカソードにソースが接続されるＭＯＳトランジスタＴ１と、ＭＯＳトランジスタＴ１のドレインにソースが接続されたＭＯＳトランジスタＴ２と、ＭＯＳトランジスタＴ１のドレイン及びＭＯＳトランジスタＴ２のソースの接続ノードにゲートが接続されるＭＯＳトランジスタＴ３と、ＭＯＳトランジスタＴ３のソースにドレインが接続されたＭＯＳトランジスタＴ４と、を備える。

そして、フォトダイオードＰＤのアノード及びＭＯＳトランジスタＴ１〜Ｔ４のバックゲートに直流電圧ＶPSが印加され、ＭＯＳトランジスタＴ２，Ｔ３それぞれのドレインに直流電圧ＶRS、ＶPDが印加される。又、ＭＯＳトランジスタＴ１，Ｔ２，Ｔ４のゲートに信号φＴＸ，φＲＳ，φＶが入力され、ＭＯＳトランジスタＴ４のソースに出力信号線１４が接続される。そして、ＭＯＳトランジスタＴ１〜Ｔ４は、ＮチャネルのＭＯＳトランジスタである。

このように構成される画素は、図１９に示すように、Ｐ型基板３０上に形成されたＰ型ウェル層３１に対してＰ型層２０をその表面に形成してＮ型埋込層２１を埋め込むことによって構成される埋込型フォトダイオードＰＤと、埋込型フォトダイオードＰＤが構成される領域に隣接する領域表面に絶縁膜２２を介して構成されたゲート電極２３を備える転送ゲートＴＧと、転送ゲートＴＧが構成される領域と隣接する領域に形成されるＮ型浮遊拡散層ＦＤと、Ｎ型浮遊拡散層ＦＤに隣接する領域表面に絶縁膜２４を介して構成されたゲート電極２５を備えるリセットゲートＲＧと、リセットゲートＲＧが構成される領域と隣接する領域に形成されるＮ型拡散層Ｄと、を備える。

このとき、埋込型フォトダイオードＰＤにおいて、Ｎ型埋込層２１の表面に高濃度のＰ型層２０が形成される。又、Ｎ型埋込層２１とＮ型浮遊拡散層ＦＤと転送ゲートＴＧとによってＭＯＳトランジスタＴ１が構成されるとともに、Ｎ型浮遊拡散層ＦＤ及びＮ型拡散層Ｄと転送ゲートＲＧとによってＭＯＳトランジスタＴ２が構成される。そして、このように埋込型フォトダイオードＰＤを画素内に構成することで、Ｐ型層２０の表面における電位が、この埋込型フォトダイオードＰＤ周囲のＰ型層より成るチャンネルストッパ層と同一の電位に固定される。そして、Ｎ型浮遊拡散層ＦＤにＭＯＳトランジスタＴ３のゲートが接続される。

埋込型フォトダイオードＰＤ周辺の構造を図１９に示す構造とすることで、埋込型フォトダイオードＰＤ周辺の表面で発生する暗電流を抑圧することができ、画素で発生する暗電流を低減することができる。そして、画素の後段に設けられる信号出力回路では、相関二重サンプリング法を用いることができ、ｋＴＣノイズの除去も可能となる。これらの効果により、埋込型フォトダイオードＰＤを用いた固体撮像装置は、低雑音で高感度の固体撮像装置として有力視されている。

又、図１９のような構成部分を備える画素において、転送ゲートＴＧにおけるポテンシャル状態を決定するゲート電極２３でのゲート電圧を中間電位とすることで、入射光量に対して線形的に電気信号を変化させる線形変換動作と、入射光量に対して対数的に電気信号を変化させる対数変換動作とを、切り換えて動作させることができる。このとき、画素における埋込型フォトダイオードＰＤ及び転送ゲートＴＧ及びＮ型浮遊拡散層ＦＤのポテンシャル状態の関係を、図２０（ａ）に示す。

埋込型フォトダイオードＰＤに光が入射されると、光電荷が発生するために、発生した光電荷に応じて埋込型フォトダイオードＰＤのポテンシャルが下がる。ここで、被写体の輝度が低いとき、埋込型フォトダイオードＰＤに現れるポテンシャルが、入射光量の積分値に対して線形的に比例した値となる。又、被写体の輝度が高いとき、埋込型フォトダイオードＰＤのポテンシャルが低くなって転送ゲートＴＧのポテンシャルとの差が閾値に近づくと、制御ゲートＴＧがサブスレッショルド領域で動作し、埋込型フォトダイオードＰＤより電流が流れる。そして、図２０（ａ）のように、埋込型フォトダイオードＰＤに現れるポテンシャルが光電変換で発生する電流の対数値に比例するように変化する。

そして、このように埋込型フォトダイオードＰＤのポテンシャルが入射光量に応じて変化すると、ゲート電極２３のゲート電圧を低くすることによって、図２０（ｂ）のように、転送ゲートＴＧのポテンシャルを低くする。このようにすることで、埋込型フォトダイオードＰＤのポテンシャルが、図２０（ｂ）のように保持されることとなる。その後、この保持された埋込型フォトダイオードＰＤのポテンシャルによる電圧が、転送ゲートＴＧを通じて、Ｎ型浮遊拡散層ＦＤに転送されるとともに、この転送された電圧による電気信号が画像信号として出力される。
特許第２８３６１４７号公報 特許第３６６４０３５号公報 特開２００２−３００４７６号公報 特開２００６−０５０５４４号公報

しかしながら、図１８の構成の画素を備えた固体撮像装置において、線形変換動作が行われて画像信号が出力される場合は、入射光によってフォトダイオードＰＤで発生した光電荷が蓄積され、積分回路が具備されていなくても、積分された画像信号が出力されることとなる。それに対して、対数変換動作が行われて画像信号が出力される場合は、露光期間中の入射光量変化にかかわらず、ＭＯＳトランジスタＴ１をＯＦＦとした瞬間に応じた値の画像信号が、出力される。このように、図１８の構成の画素から、積分された線形変換された画像信号、又は、積分されることのない対数変換された画像信号が出力されることとなる。そのため、積分成分がある線形変換動作時の信号に比べて、信号の変動率が大きく、ノイズの影響も受けやすくなる。

よって、入射光量変化が起こりやすいと思われる長時間露光時やストロボ撮影時において、その被写体の輝度が高い場合などのように対数変換された画像信号が出力される場合には、被写体情報を正確に取得できないという問題がある。又、この対数変換された画像信号が出力される場合には、照明光の輝度変動に対してフリッカが生じるという問題もある。

このような問題を鑑みて、本発明は、積分動作を行うことで低雑音、高感度を備えるとともに、対数変換動作による広ダイナミックレンジを備えた固体撮像装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の固体撮像装置は、入射光量に応じた光電荷を発生して内部に蓄積する光電変換素子と、該光電変換素子からの光電荷が転送されて一時的に保持する電荷保持部と、前記光電変換素子と前記電荷保持部との間に形成される転送ゲートと、を有する複数の画素を備える固体撮像装置において、前記画素が、前記電荷保持部に第１電極が接続されるとともに第２電極に直流電圧が印加され、制御電極に３値の電圧値が切り換えられる第１制御信号が入力される第１トランジスタと、第１電極、第２電極、及び制御電極を備えるとともに、制御電極が前記電荷保持部に接続された第２トランジスタと、前記第２トランジスタの第１電極に第２電極が接続されるとともに第１電極に直流電圧が印加され、制御電極に３値の電圧値が切り換えられる第２制御信号が入力される第３トランジスタと、前記第２トランジスタの第１電極に一端が接続される容量素子と、を備え、前記第２制御信号を中間となる電圧値とすることにより前記第３トランジスタを定電流負荷として使用することで、全ての輝度範囲において入射光量の積分値に対して線形的に変化する電気信号を前記画素より出力させる第１状態とし、前記第１制御信号を中間となる電圧値とすることにより前記第１及び第２トランジスタをサブスレッショルド領域で駆動することで、少なくとも一部の輝度範囲において入射光量の積分値に対して自然対数的に変化する電気信号を前記画素より出力することが可能な第２状態とすることを特徴とする。

このように構成されるとき、前記第１状態による撮像動作を行うとき、前記第１制御信号を３値の電圧値のうち中間となる電圧値を使用することなく２値の電圧値による信号として、前記第１トランジスタを前記電荷保持部のリセット用トランジスタとして使用し、前記第２状態による撮像動作を行うとき、前記第２制御信号を３値の電圧値のうち中間となる電圧値を使用することなく２値の電圧値による信号として、前記第３トランジスタを前記容量素子のリセット用トランジスタとして使用する。

又、上述の固体撮像装置において、前記画素と接続されて前記画素から電気信号が出力される出力信号線を備え、前記画素が、前記容量素子に現れる電気信号を増幅する増幅部と、前記出力信号線に接続されて、該増幅部で増幅された電気信号を前記出力信号線に出力する読み出し用スイッチと、を備えるものとしても構わない。

又、フレーム毎の前記撮像動作が前記第１状態及び前記第２状態の間で選択されて切り替わるものとしても構わない。

本発明によると、全輝度領域で線形変換動作を行う第１状態のときは、第３トランジスタを定電流負荷とするため、容量素子をサンプルホールド用の素子として利用することができ、第２トランジスタから出力される入射光量の積分値に対して線形的に変化した電気信号を外部に出力することができる。又、少なくとも輝度領域の一部で対数変換動作を行う第２状態のときは、第１及び第２トランジスタをサブスレッショルド領域で駆動させて、容量素子に積分動作を行うようにすることで、容量素子に入射光量の積分値に対して対数的に変化した電気信号をサンプルホールドさせることができる。

これにより、上述の第１及び第２状態をフレーム毎に簡単に選択して設定することができるため、そのダイナミックレンジを広く設定することができる。又、上述の第１及び第２状態のいずれにおいても積分された電気信号が出力されるため、電気信号に発生する雑音を吸収させることができる。これにより、上述の第１及び第２状態のいずれにおいて撮像動作を行っても低雑音で高感度とすることができる。

本発明の実施形態について、以下に、図面を参照して説明する。

＜固体撮像装置の構成＞
まず、本実施形態の固体撮像装置について、図１を参照して説明する。図１は、本発明の実施形態である二次元のＭＯＳ型固体撮像装置の一部の構成を概略的に示している。

図１において、Ｇ11〜Ｇmnは行列配置（マトリクス配置）された画素を示している。１１は垂直走査回路であり、各画素に信号φＶを与える行（ライン）１３−１、１３−２、・・・、１３−ｎを順次走査していく。１２は水平走査回路であり、画素から出力信号線１４−１、１４−２、・・・、１４−ｍに導出された光電変換信号を画素ごとに水平方向に順次読み出す。１５は電源ラインである。各画素に対し、上記ライン１３−１〜１３−ｎや出力信号線１４−１〜１４−ｍ、電源ライン１５だけでなく、他のライン（例えば、クロックラインやバイアス供給ライン等）も接続されるが、図２ではこれらについて省略する。

又、出力信号線１４−１〜１４−ｍのそれぞれには、定電流源１６−１〜１６−ｍが接続されるとともに、出力信号線１４−１〜１４−ｍのそれぞれを介して与えられる画素Ｇ11〜Ｇmnから与えられる各信号をサンプルホールドするサンプルホールド回路１７−１〜１７−ｍが設けられる。そして、補正回路１８にサンプルホールド回路１７−１〜１７−ｍでサンプルホールドされた各信号が与えられると、この補正回路１８で補正処理が行われて、ノイズ除去された画像信号が外部に出力される。尚、定電流源１６−１〜１６−ｍの一端に直流電圧ＶPSが印加される。

このような固体撮像装置において、画素Ｇab（ａ：１≦ａ≦ｍの自然数、ｂ：１≦ｂ≦ｎの自然数）からの出力となる画像信号及びノイズ信号がそれぞれ、出力信号線１４−ａを介して出力されるとともに、この出力信号線１４−ａに接続された定電流源１６−ａによって増幅される。そして、画素Ｇabから出力された画像信号及びノイズ信号が順番にサンプルホールド回路１７−ａに送出されるとともに、このサンプルホールド回路１７−ａにおいて、送出された画像信号及びノイズ信号がサンプルホールドされる。

その後、サンプルホールド回路１７−ａより、サンプルホールドされた画像信号が補正回路１８に送出された後、同じくサンプルホールドされたノイズ信号が補正回路１８に送出される。補正回路１８では、サンプルホールド回路１７−ａより与えられた画像信号を、同じくサンプルホールド回路１７−ａより与えられたノイズ信号に基づいて補正処理する。そして、サンプルホールド回路１７−ａにおいてノイズ信号によりノイズ除去された画像信号が、固体撮像装置の外部に出力される。

又、このような固体撮像装置に対して、不図示の信号制御部より垂直走査回路１１に信号が与えられることにより、各行の画素の転送ゲートを閉じるタイミングが設定される信号、及び、画素Ｇ11〜Ｇmnが撮像動作を開始するタイミングと画像信号及びノイズ信号の出力タイミングとを設定するための信号が垂直走査回路１１より出力される。更に、不図示の信号制御部から水平走査回路１２に信号が与えられることにより、サンプルホールド回路１７−１〜１７−ｍから画像信号及びノイズ信号が補正回路１８に出力されるタイミングを設定するための信号が水平走査回路１２より出力される。

＜画素の構成＞
図１に示した構成の固体撮像装置内に設けられる各画素の構成を図２に示す。尚、図２に示す画素の構成において、図１８に示す画素構成と同一の部分については、同一の符号を付してその詳細な説明については省略する。

図２の画素は、図１８に示す画素と同様、埋込型フォトダイオードＰＤと、この埋込型フォトダイオードＰＤのカソードにソースが接続されたＭＯＳトランジスタＴ１と、ＭＯＳトランジスタＴ１のドレインにソースが接続されたＭＯＳトランジスタＴ２と、出力信号線１４にソースが接続されたＭＯＳトランジスタＴ４と、ＭＯＳトランジスタＴ４のドレインにソースが接続されたＭＯＳトランジスタＴ３と、を備える。

そして、図１９に示すように、埋込型フォトダイオードＰＤが、Ｐ型基板３０上に形成されたＰ型ウェル層３１と、Ｐ型ウェル層３１の表面に形成された高濃度のＰ型層２０とＮ型埋込層２１とから構成される。このように埋込型フォトダイオードＰＤを画素内に構成することで、Ｐ型層２０の表面における電位が、この埋込型フォトダイオードＰＤ周囲のＰ型層よりなるチャンネルストッパ層と同一の電位に固定される。又、ＭＯＳトランジスタＴ１が、Ｎ型埋込層２１と、埋込型フォトダイオードＰＤが構成される領域に隣接する領域表面に絶縁膜２２を介して構成されたゲート電極２３を備える転送ゲートＴＧと、Ｎ型浮遊拡散層ＦＤとから構成され、更に、ＭＯＳトランジスタＴ２が、Ｎ型浮遊拡散層ＦＤと、Ｎ型浮遊拡散層ＦＤに隣接する領域表面に絶縁膜２４を介して構成されたゲート電極２５を備えるリセットゲートＲＧと、Ｎ型拡散層Ｄとから構成される。

この図２の画素は、図１８に示す画素と異なり、ＭＯＳトランジスタＴ１のドレインがゲートに接続されたＭＯＳトランジスタＴ５と、ＭＯＳトランジスタＴ５のソースにドレインが接続されたＭＯＳトランジスタＴ６と、ＭＯＳトランジスタＴ５のソースに一端が接続されたコンデンサＣとを更に備え、ＭＯＳトランジスタＴ５のソースとＭＯＳトランジスタＴ６のドレインとコンデンサＣの一端とによる接続ノードがＭＯＳトランジスタＴ３のゲートに接続される。

そして、ＭＯＳトランジスタＴ１〜Ｔ４がＮチャネルのＭＯＳトランジスタであり、フォトダイオードＰＤのカソード及びＭＯＳトランジスタＴ１〜Ｔ４のバックゲートに直流電圧ＶPSが印加されるとともに、ＭＯＳトランジスタＴ２，Ｔ３それぞれのドレインに直流電圧ＶRS、ＶPDが印加される。又、ＭＯＳトランジスタＴ５，Ｔ６がＰチャネルのＭＯＳトランジスタであり、ＭＯＳトランジスタＴ５，Ｔ６のバックゲート、ＭＯＳトランジスタＴ６のソース、及びコンデンサＣの他端に直流電圧ＶPDが印加されるとともに、ＭＯＳトランジスタＴ５のドレインに直流電圧ＶPSが印加される。又、ＭＯＳトランジスタＴ１，Ｔ２，Ｔ４，Ｔ６のゲートに信号φＴＸ，φＲＳ，φＶ，φＲＳＣが入力される。更に、ＭＯＳトランジスタＴ４のソースに出力信号線１４（図１の出力信号線１４−１〜１４−ｍに相当する）が接続される。

本実施形態における固体撮像装置を構成する各画素において、リセットゲートＲＧに与える信号φＲＳが、３値の電圧値ＶＨ，ＶＭ，ＶＬ（ＶＨ＞ＶＭ＞ＶＬ）の間で変化させる信号である。このとき、信号φＲＳの電圧値ＶＭを適切な値に設定することで、ＭＯＳトランジスタＴ１に、埋込型フォトダイオードＰＤにより発生する光電荷量がある値より大きくなるときに、サブスレッショルド領域で動作させることができ、入射光量に応じて光電変換動作を線形変換動作と対数変換動作とに切りかわるようにすることができる。

又、画素Ｇ11〜Ｇmnにおいて、信号φＲＳの電圧値ＶＭを変化させることで、埋込型フォトダイオードＰＤとＭＯＳトランジスタＴ１とによる光電変換動作が線形変換動作から対数変換動作に切りかわる変極点を切り換えることができる。即ち、信号φＲＳの電圧値ＶＭが電圧値ＶＬに近い値であるほど、線形変換動作を行う輝度領域が広くなる。そして、信号φＴＸの電圧値ＶＭが電圧値ＶＬに設定されて、２値の電圧値ＶＨ，ＶＬで変化する場合は、線形変換動作のみが行われる。又、信号φＲＳの電圧値ＶＭが電圧値ＶＨに近い値であるほど、線形変換動作を行う輝度領域が広くなる。そして、信号φＲＳの電圧値ＶＭが、電圧値ＶＨに最も近い電圧値ＶＭｍａｘに設定される場合は、対数変換動作のみが行われる。

更に、ＭＯＳトランジスタＴ６のゲートに与える信号φＲＳＣについても、３値の電圧値ＶＨ，ＶＣ，ＶＬ（ＶＨ＞ＶＣ＞ＶＬ）の間で変化させる信号とする。このとき、信号φＲＳＣの電圧値ＶＣを適切な値に設定することで、ＭＯＳトランジスタＴ６を定電流源とすることができる。即ち、ＭＯＳトランジスタＴ５のソースに接続される定負荷としてＭＯＳトランジスタＴ６を動作させることで、ＭＯＳトランジスタＴ５，Ｔ６によってソースフォロワ回路を構成することができる。

このように構成される画素Ｇ11〜Ｇmnを備えた固体撮像装置の撮像動作について、以下に説明する。まず、（１）線形変換動作のみとなる撮像動作、（２）対数変換動作のみとなる撮像動作、（３）線形変換動作及び対数変換動作の切換が可能な撮像動作の、３種の撮像動作それぞれにおける各画素内での動作について説明する。

＜線形変換動作＞
常に線形変換動作を行う際における各画素内での動作について、図３のタイミングチャートを参照して説明する。又、埋込型フォトダイオードＰＤ及びＭＯＳトランジスタＴ１，Ｔ２における各チャンネルのポテンシャル状態の変遷図を図４に示す。

まず、信号φＴＸが共にローであり、信号φＲＳ，φＲＳＣそれぞれの電圧値がＶＨの状態から、信号φＲＳＣの電圧値のみをＶＣに変化させる。これにより、ＭＯＳトランジスタＴ６を定電流源として動作させ、ＭＯＳトランジスタＴ５，Ｔ６によるソースフォロワ回路を構成する。このとき、埋込型フォトダイオードＰＤ、転送ゲートＴＧ、リセットゲートＲＧ、及び浮遊拡散層ＦＤそれぞれのポテンシャル状態が、図４（ａ）のようになる。

即ち、信号φＲＳの電圧値がＶＨであることから、リセットゲートＲＧのポテンシャルが高く、ＭＯＳトランジスタＴ２がＯＮであるため、浮遊拡散層ＦＤのポテンシャルがリセットされる。又、信号φＴＸがローであることから、転送ゲートＴＧのポテンシャルが低くなり、ＭＯＳトランジスタＴ１がＯＦＦとなるため、埋込型フォトダイオードＰＤに入射光量より発生した光電荷が蓄積される。

その後、信号φＲＳの電圧値がＶＬとされ、図４（ｂ）のように、リセットゲートＲＧのポテンシャルが低くなり、ＭＯＳトランジスタＴ２がＯＦＦとなる。これにより、ＭＯＳトランジスタＴ５のゲートには、リセット時の浮遊拡散層ＦＤの電圧が与えられることとなる。よって、ＭＯＳトランジスタＴ５のソース電圧がコンデンサＣにサンプリングホールドされる。この状態で、ハイとなるパルス信号φＶが与えられて、ＭＯＳトランジスタＴ４がＯＮとされると、ＭＯＳトランジスタＴ３と定電流源１６とによるソースフォロワ回路が形成される。これにより、出力信号線１４にリセット時の浮遊拡散層ＦＤの電圧値に応じた電圧信号が、ノイズ信号として出力される。このとき、浮遊拡散層ＦＤには、いわゆるｋＴＣノイズが含まれるため、ノイズ信号もｋＴＣノイズによる電圧成分が含まれることとなる。

ノイズ信号が出力され、信号φＶをローとしてＭＯＳトランジスタＴ４がＯＦＦとされると、信号φＴＸをハイとして、図４（ｃ）のように、転送ゲートＴＧのポテンシャルを高くすることで、ＭＯＳトランジスタＴ１がＯＮとなる。これにより、埋込型フォトダイオードＰＤに蓄積された光電荷が浮遊拡散層ＦＤに転送されて、浮遊拡散層ＦＤのポテンシャルが低くなる。即ち、ＭＯＳトランジスタＴ１のドレイン電圧が入射光量に応じた電圧値に変化する。よって、入射光量の積分値に応じた電圧がＭＯＳトランジスタＴ５のゲートに現れ、コンデンサＣには、入射光量の積分値に応じた電圧がＭＯＳトランジスタＴ５のソース電圧がサンプルホールドされることとなる。

そして、信号φＴＸをローとして、図４（ｄ）のように、転送ゲートＴＧのポテンシャルが低くして、ＭＯＳトランジスタＴ１がＯＦＦとされると、浮遊拡散層ＦＤに転送された光電荷が蓄積された状態となる。この状態で、ハイとなるパルス信号φＶが与えられて、ＭＯＳトランジスタＴ４がＯＮとされると、ＭＯＳトランジスタＴ３と定電流源１６とによるソースフォロワ回路が形成される。これにより、入射光量の積分値となる光電荷量が転送された浮遊拡散層ＦＤの電圧値に応じた電圧信号が、画像信号として出力信号線１４に出力される。即ち、入射光量の積分値に対して線形的に変化した電圧信号となる画像信号が出力される。

その後、信号φＶをローとしてＭＯＳトランジスタＴ４がＯＦＦとされると、まず、信号φＲＳＣの電圧値をＶＨとしてＭＯＳトランジスタＴ６がＯＦＦとなる。そして、信号φＲＳの電圧値をＶＨとして、ＭＯＳトランジスタＴ２をＯＮとして、浮遊拡散層ＦＤのポテンシャルをリセットする。尚、信号φＴＸがローとされると、埋込型フォトダイオードＰＤに光電荷が蓄積され、次のフレームの撮像動作が開始される。尚、信号φＲＳＣの電圧値を常にＶＣとしても同様の信号が得られるが、この場合には、ＭＯＳトランジスタＴ５，Ｔ６で構成されるソースフォロワ回路に常に電流が流れるため、消費電力が大きくなってしまう。

＜対数変換動作＞
常に対数変換動作を行う場合における各画素内での動作について、図５のタイミングチャートを参照して説明する。又、埋込型フォトダイオードＰＤ及びＭＯＳトランジスタＴ１，Ｔ２における各チャンネルのポテンシャル状態の変遷図を図６に示す。

本動作においては、信号φＴＸを常にハイとするとともに、信号φＲＳの電圧値を常にＶＭｍａｘとする。これにより、図６のように、転送ゲートＴＧのポテンシャルを常に高い状態としてＭＯＳトランジスタＴ１をＯＮとし、埋込型フォトダイオードＰＤで発生した光電荷が浮遊拡散層ＦＤに転送される状態とするとともに、ＭＯＳトランジスタＴ２をサブスレッショルド領域で動作させる。これにより、ＭＯＳトランジスタＴ１，Ｔ２には、ＭＯＳトランジスタＴ２によるサブスレッショルド領域における動作に応じた光電流Ｉｐが流れることとなる。

このＭＯＳトランジスタＴ１，Ｔ２を流れる光電流Ｉｐは、Ｉｄ：ドレイン電流、Ｖｆｄ：浮遊拡散層ＦＤにおける電圧値、Ｉｄ２，ｎ：ＭＯＳトランジスタＴ２の形状や基板濃度などで決定される定数、ｑ：電子電荷量、ｋ：ボルツマン定数、Ｔ：絶対温度とすると、下の（１）式のように表される。
Ｉｐ＝Ｉｄ２×ｅｘｐ（ｑ／ｎｋＴ×Ｖｆｄ） …（１）

このような状態で、信号φＲＳＣの電圧値がＶＨとされＭＯＳトランジスタＴ６がＯＦＦとされることで、ＭＯＳトランジスタＴ５がサブスレッショルド領域で動作する。これにより、ＭＯＳトランジスタＴ５を流れる電流Ｉ５が、下の（２）式のように表される。尚、Ｉｄ５：ＭＯＳトランジスタＴ５の形状及び基板濃度などで決定される定数、Ｖｃｎ：コンデンサＣとＭＯＳトランジスタＴ５のソースとの接続ノードに現れる電圧である。
Ｉ５＝Ｉｄ５×ｅｘｐ（ｑ／ｎｋＴ×（Ｖｃｎ−Ｖｆｄ）） …（２）

即ち、ａ＝Ｉｄ５／Ｉｄ２とすると、上の（１）、（２）式より、ＭＯＳトランジスタＴ５を流れる電流Ｉ５が、下の（３）式のように表される。よって、ＭＯＳトランジスタＴ６がＯＦＦであることより、コンデンサＣを流れる電流がＭＯＳトランジスタＴ５を流れる電流Ｉ５と等しいため、コンデンサＣの容量値をＣとすると、下の（４）式のように表される。この（３）、（４）式によって、下の（５）式の関係が得られる。
Ｉ５＝ａ×Ｉｐ×ｅｘｐ（ｑ／ｎｋＴ×Ｖｃｎ） …（３）
Ｉ５＝Ｃ×ｄＶｃｎ／ｄｔ …（４）
Ｃ×ｄＶｃｎ＝ａ×Ｉｐ×ｅｘｐ（ｑ／ｎｋＴ×Ｖｃｎ）×ｄｔ …（５）

よって、時間ｔを０としたときの電圧Ｖｃｎの値を電圧値ＶPDとして、上の（５）式を積分すると、下の（７）式の関係が得られる。即ち、ＭＯＳトランジスタＴ１，Ｔ２を流れる光電流Ｉｐの時間積分値に対して対数比例した関係により、コンデンサＣの電圧値Ｖｃｎが降下していくこととなる。
Ｖｃｎ＝ＶPD−ｎｋｔ／ｑ×ｌｎ［ａ×q／ｎｋＴＣ×∫Ｉｐ・ｄｔ］ …（５）

このようにして、浮遊拡散層ＦＤの電圧Ｖｆｄが入射光量に対して自然対数的に変化することで、コンデンサＣによる積分動作に基づいて、ＭＯＳトランジスタＴ３のゲートに現れる電圧Ｖｃｎが入射光量の積分値に対して自然対数的に比例した値となる。そして、このとき、ハイとなるパルス信号φＶがＭＯＳトランジスタＴ４のゲートに与えられて、ＭＯＳトランジスタがＯＮとなると、埋込型フォトダイオードＰＤに入射される入射光量の積分値に対して自然対数的に比例した電圧信号が、画像信号として出力信号線１４に出力される。

画像信号が出力され、信号φＶをローとしてＭＯＳトランジスタＴ４がＯＦＦとされると、信号φＲＳＣの電圧値がＶＬとされて、ＭＯＳトランジスタＴ６がＯＮとされる。これにより、コンデンサＣとＭＯＳトランジスタＴ３のゲートとの接続ノードの電圧値が、ＭＯＳトランジスタＴ６を通じて直流電圧ＶPDにリセットされる。このリセット動作を終了すると、信号φＲＳＣの電圧値をＶＨとして、再び、ＭＯＳトランジスタＴ６をＯＦＦとする。

その後、ハイとなるパルス信号φＶが与えられることで、ＭＯＳトランジスタＴ４がＯＮとされることで、コンデンサＣがリセットされた状態で現れるＭＯＳトランジスタＴ３のゲート電圧に応じた電圧信号が、ノイズ信号として出力信号線１４に出力される。そして、ノイズ信号が出力された後、信号φＶがローとなりＭＯＳトランジスタＴ４がＯＦＦとなる。尚、信号φＲＳＣの電圧値がＶＨとされてＭＯＳトランジスタＴ６がＯＦＦとされると、キャパシタＣでの積分動作が開始されて、次のフレームの撮像動作が開始されることとなる。

＜線形変換動作及び対数変換動作の自動切換（自動切換動作）＞
線形変換動作と対数変換動作の切換が可能な自動切換動作が行われる場合における各画素内での動作について、図７のタイミングチャートを参照して説明する。又、埋込型フォトダイオードＰＤ及びＭＯＳトランジスタＴ１，Ｔ２における各チャンネルのポテンシャル状態の変遷図を図８に示す。

本動作においては、常に対数変換動作を行う場合と同様、信号φＴＸを常にハイとする。これにより、図８（ａ）に示すように、転送ゲートＴＧのポテンシャルを常に高い状態としてＭＯＳトランジスタＴ１をＯＮとする。又、撮像時においては、信号φＲＳの電圧値をＶＭとするとともに、信号φＲＳＣの電圧値をＶＨとしてＭＯＳトランジスタＴ６をＯＦＦとする。尚、電圧値ＶＭの値を調整することにより、線形変換動作と対数変換動作の変極点が調整されることとなる。

即ち、埋込型ダイオードＰＤで発生した光電荷が転送ゲートＴＧを通じて浮遊拡散層ＦＤに転送されるが、被写体輝度が低い場合は、図８（ａ）に示すように、浮遊拡散層ＦＤに蓄積される。そして、ＭＯＳトランジスタＴ５のゲート電圧が、浮遊拡散層ＦＤに蓄積された光電荷に基づく値、即ち、入射光量の積分値に線形的に比例した値となる。又、被写体輝度が高い場合は、浮遊拡散層ＦＤに蓄積される光電荷量が多いため、図８（ｂ）のように、浮遊拡散層ＦＤの電圧がリセットゲートＲＧに与えられる電圧値ＶＭに近づき、ＭＯＳトランジスタＴ２がサブスレッショルド領域で動作することとなる。

これにより、被写体輝度が低い場合は、ＭＯＳトランジスタＴ５に、入射光量に対して線形的に変化する電流が流れて、入射光量の積分値に対して線形的に変化した電圧が、キャパシタＣに現れる。又、被写体輝度が高い場合は、ＭＯＳトランジスタＴ５に、入射光量に対して自然対数的に変化する電流が流れて、入射光量の積分値に対して自然対数的に変化した電圧が、キャパシタＣに現れる。このとき、ハイとなるパルス信号φＶがＭＯＳトランジスタＴ４のゲートに与えられて、ＭＯＳトランジスタＴ４をＯＮとすることで、低輝度領域では輝度値に対して線形的に変化した値となるとともに高輝度領域では輝度値に対して対数的に変化した値となる画像信号が、出力信号線１４に出力される。

その後、画像信号が出力され、信号φＶをローとしてＭＯＳトランジスタＴ４がＯＦＦとされると、まず、信号φＲＳの電圧値がＶＨとされて、図８（ｃ）のように、リセットゲートＲＧのポテンシャルが高くなる。即ち、ＭＯＳトランジスタＴ２がＯＮとされて、浮遊拡散層ＦＤのポテンシャルがリセットされる。そして、信号φＲＳＣの電圧値がＶＬとされて、ＭＯＳトランジスタＴ６がＯＮとされ、コンデンサＣの電圧値がリセットされる。このコンデンサＣのリセット動作を終了すると、信号φＲＳＣの電圧値をＶＨとして、再び、ＭＯＳトランジスタＴ６をＯＦＦとする。

このとき、ハイとなる信号φＶを与えてＭＯＳトランジスタＴ４をＯＮとすることで、ノイズ信号が出力信号線１４に出力される。そして、ノイズ信号が出力された後、信号φＶがローとなりＭＯＳトランジスタＴ４がＯＦＦとされると、信号φＲＳの電圧値がＶＭとされて、次のフレームの撮像動作が開始されることとなる。

上述の各動作において、ノイズ信号及び画像信号が出力信号線１４−１〜１４−ｍに出力されると、サンプルホールド回路１７−１〜１７−ｍにおいてノイズ信号及び画像信号がサンプルホールドされる。その後、サンプルホールド回路１７−１〜１７−ｍそれぞれから順番に、サンプルホールドされた画像信号及びノイズ信号が補正回路１８に出力されると、補正回路１８によって画像信号とノイズ信号との減算処理が行われ、ノイズ除去された画像信号が出力される。

尚、対数変換動作及び自動切換動作時においては、浮遊拡散層ＦＤによるｋＴＣノイズによる電圧成分がノイズ信号に含まれることはないが、ＭＯＳトランジスタＴ３の閾値電圧によるオフセットが含まれるため、このオフセット除去を行うことができる。又、線形変換動作時においては、浮遊拡散層ＦＤによるｋＴＣノイズによる電圧成分もノイズ信号に含まれるため、このｋＴＣノイズによる影響も除去することができる。

更に、このように動作する固体撮像装置において、フレーム毎に、線形変換動作から対数変換動作又は自動切換動作に切り換える、又は、対数変換動作又は自動切換動作から線形変換動作に切り換えることができる。即ち、例えば、１フレームごとに線形変換動作と対数変換動作とを切り換えることによって、２フレーム分の画像信号より、低輝度領域は線形変換動作によって得られたフレームの画像信号を選択し、高輝度領域は対数変換動作によって得られたフレームの画像信号を選択することができる。そして、２フレームより選択した画像信号を合成することで、高輝度領域及び低輝度領域それぞれにおいて最適な値となる画像信号が出力される。

以下において、変換動作の切換を行う際の動作について説明する。

＜線形変換動作から対数変換動作への切換＞
まず、線形変換動作から対数変換動作へ切り換える場合の動作について、図９のタイミングチャートに基づいて説明する。上述したように、図３のタイミングチャートに従って、ノイズ信号が出力された後に線形変換動作によって得られた画像信号が出力されて、１フレーム分の撮像動作が行われると、まず、信号φＲＳの電圧値がＶＬからＶＭｍａｘに切り換えられて、ＭＯＳトランジスタＴ２がサブスレッショルド領域で動作するように設定される。そして、信号φＲＳＣの電圧値をＶＬとしてＭＯＳトランジスタＴ６をＯＮとし、ＭＯＳトランジスタＴ６を通じてコンデンサＣの電圧値をリセットする。

その後、信号φＲＳＣをＶＨとしてＭＯＳトランジスタＴ６をＯＦＦの状態とした後、信号φＴＸをハイとする。これにより、転送ゲートＴＧのポテンシャルを高くしてＭＯＳトランジスタＴ１をＯＮとすることで、埋込型ダイオードＰＤで発生された光電荷が浮遊拡散層ＦＤに転送される状態となる。このように、各信号の値が遷移された後、次のフレームでは、上述したように、図５のタイミングチャートに従った対数変換動作が行われることとなる。

＜線形変換動作から自動切換動作への切換＞
又、線形変換動作から自動切換動作へ切り換える場合の動作について、図１０のタイミングチャートに基づいて説明する。この場合も、図３のタイミングチャートに従って、線形変換動作による１フレーム分の撮像動作が終了すると、信号φＲＳの電圧値がＶＨとされてＭＯＳトランジスタＴ２をＯＮとする。これにより、ＭＯＳトランジスタＴ２を通じて浮遊拡散層ＦＤのポテンシャルがリセットされる。

その後、信号φＲＳＣの電圧値をＶＬとして、ＭＯＳトランジスタＴ６をＯＮとし、ＭＯＳトランジスタＴ６を通じてコンデンサＣの電圧値をリセットした後、信号φＲＳＣの電圧値をＶＨとしてＭＯＳトランジスタＴ６をＯＦＦとする。そして、信号φＴＧをハイとして転送ゲートＴＧのポテンシャルを高くすることで、埋込型フォトダイオードＰＤから浮遊拡散層ＦＤへの光電荷の転送が可能な状態とした後、信号φＲＳの電圧値をＶＭに切り換える。これにより、次フレームにおいて、図７のタイミングチャートに従った自動切換動作が行われることとなる。

＜対数変換動作から線形変換動作への切換＞
又、線形変換動作から対数変換動作へ切り換える場合の動作について、図１１のタイミングチャートに基づいて説明する。この場合は、図５のタイミングチャートに従って、対数変換動作によって得られた画像信号を出力した後に、リセット動作を行うことで得られたノイズ信号を出力して、１フレーム分の撮像動作が行われる。そして、信号φＶがローとされてＭＯＳトランジスタＴ４がＯＦＦとされると、まず、信号φＲＳの電圧値がＶｍａｘからＶＨとされることで、リセットゲートＲＧのポテンシャルが高くなってＭＯＳトランジスタＴ２がＯＮとされる。

その後、信号φＴＸがローとされて転送ゲートＴＧのポテンシャルが低くなり、ＭＯＳトランジスタＴ１がＯＦＦの状態とされ、埋込型フォトダイオードＰＤから浮遊拡散層ＦＤへの光電荷の転送が禁止される。これにより、埋込型フォトダイオードＰＤに、入射光量に応じた光電荷が蓄積されて、線形変換動作による次フレームの撮像動作が開始する。このとき、既に、信号φＲＳの電圧値がＶＨとされて、ＭＯＳトランジスタＴ２がＯＮの状態であるため、浮遊拡散層ＦＤのポテンシャルが電圧値ＶPDによってリセットされた状態となる。

＜自動切換動作から線形変換動作への切換＞
更に、線形変換動作から自動切換動作へ切り換える場合の動作について、図１２のタイミングチャートに基づいて説明する。この場合は、図７のタイミングチャートに従って、自動切換動作によって得られた画像信号を出力した後に、リセット動作を行うことで得られたノイズ信号を出力して、１フレーム分の撮像動作が行われる。そして、信号φＶがローとされてＭＯＳトランジスタＴ４がＯＦＦとされると、信号φＲＳの電圧値がＶＨのままとされて、ＭＯＳトランジスタＴ２がＯＮのままの状態とされる。その後、信号φＴＸがローとされてＭＯＳトランジスタＴ１がＯＦＦの状態とされ、埋込型フォトダイオードＰＤから浮遊拡散層ＦＤへの光電荷の転送が禁止されると、線形変換動作による次フレームの撮像動作が開始する。

このように、変換動作をフレーム毎に変更することができる。尚、各フレームにおける変換動作の切換については、上述の例のように、フレーム毎に行うものとしても構わないが、所定時間のｘフレームのうち、ｙフレームにおいて線形変換動作が行われ、（ｘ−ｙ）フレームにおいて対数変換動作又は自動切換動作が行われるものとしても構わない。そして、得られたｘフレームを合成する際、各画素位置において撮像された被写体の輝度領域を判定することで再生用のフレームを作成するものとしても構わない。又、ｘフレームのうち、ｚフレームを合成して再生用フレームが作成されるものとし、（ｘ−ｚ）フレームにおいて各画素位置での輝度領域を判定するセンシング用フレームが作成されるものとしても構わない。

＜対数変換動作及び自動切換動作の別例１＞
又、対数変換動作及び自動切換動作については、図５のタイミングチャートによる対数変換動作及び図７のタイミングチャートによる自動切換動作に限らず、別のタイミングによって行うことができる。尚、本例においては、対数変換動作及び自動切換動作のいずれにおいても同様のタイミングとなるため、図１３のタイミングチャートに従って、自動切換動作による各信号のタイミングを説明するものとする。

本例では、図７のタイミングチャートによる動作と異なり、画像信号及びノイズ信号の読み出しが行われる際に、信号φＴＸがローとされる。又、信号φＲＳの電圧値をＶＭからＶＨに切り換えるタイミングが、ハイとなるパルス信号φＶを与えて、画像信号が読み出される前となる。即ち、まず、信号φＴＸがローとなり、図１４（ａ）のように、転送ゲートＴＧのポテンシャルを低くして、ＭＯＳトランジスタＴ１をＯＦＦとする。これにより、埋込型フォトダイオードＰＤから発生する光電荷が浮遊拡散層ＦＤに転送されることを防ぐ。

そして、信号φＲＳの電圧値をＶＭからＶＨとして、図１４（ｂ）のように、リセットゲートＲＧのポテンシャルを高くして、ＭＯＳトランジスタＴ２をＯＮとする。これにより、浮遊拡散層ＦＤのポテンシャルが直流電圧ＶRSによって高くなり、ＭＯＳトランジスタＴ５をＯＦＦとする。よって、コンデンサＣには、撮像時にコンデンサＣで積分されて得られた電圧値がサンプルホールドされる。このとき、ハイとなるパルス信号φＶが与えられることにより、ＭＯＳトランジスタＴ４がＯＮとなって、画像信号が出力信号線１４に出力される。

このようにして画像信号を出力した後、信号φＲＳＣの電圧値を一時的にＶＬとしてＭＯＳトランジスタＴ６をＯＮとすることで、コンデンサＣをリセットした後、再び、信号φＲＳＣの電圧値をＶＨに戻すと、ハイとなるパルス信号φＶを与える。よって、ＭＯＳトランジスタＴ４がＯＮとなって、ノイズ信号が出力されると、信号φＴＸをハイとすることで、図１４（ｃ）のように、転送ゲートＴＧのポテンシャルを高くして、埋込型フォトダイオードＰＤに信号φＴＸがローとなる期間に蓄積した電荷を排出する。その後、信号φＲＳの電圧値をＶＨからＶＭに切り換えることによって、次フレームの撮像動作を開始する。

尚、この対数変換動作及び自動切換動作から線形変換動作に切り換える場合は、図１５に示すように、ノイズ信号を出力した後、一時的に信号φＴＸをハイとすることによって、埋込型フォトダイオードＰＤに蓄積した電荷を排出する。その後、信号φＲＳの電圧値をＶＨのままとするとともに、信号φＴＸをローとして転送ゲートのポテンシャルを低くすることによって、線形変換動作による次フレームの撮像動作が開始する。

＜対数変換動作及び自動切換動作の別例２＞
対数変換動作及び自動切換動作について、上述の第１例以外にも、ＭＯＳトランジスタＴ２の閾値バラツキをノイズ信号に含めた動作を行うこともできる。このときの対数変換動作及び自動切換動作の動作例について、自動切換動作を代表して、図１７のタイミングチャートに従って説明する。又、本例においては、図１６の画素構成に示すように、ＭＯＳトランジスタＴ２のドレインに直流電圧ＶPDが印加される代わりに、ハイとローの２値で変化する信号φＶPDが与えられる。尚、信号φＶPDがハイとなる電圧値は、直流電圧ＶRSと等しい値である。

本例では、図７のタイミングチャートによる動作と同様、信号φＶPDをハイとして、ＭＯＳトランジスタＴ２のドレインに直流電圧ＶRSが印加された状態で撮像動作が行われる。そして、まず、信号φＶが与えられてＭＯＳトランジスタＴ４をＯＮとして、画像信号が出力されると、信号φＴＸがローとされ、転送ゲートＴＧのポテンシャルを低くして、ＭＯＳトランジスタＴ１をＯＦＦとする。これにより、埋込型フォトダイオードＰＤから発生する光電荷が浮遊拡散層ＦＤに転送されることを防ぐ。

その後、信号φＲＳの電圧値をＶＭからＶＨに変化させて、リセットゲートＲＦのポテンシャルを高くする。これにより、ＭＯＳトランジスタＴ２がＯＮとなり、浮遊拡散層ＦＤのポテンシャルが直流電圧ＶRSにリセットされ、ＭＯＳトランジスタＴ５がＯＦＦとなって遮断された状態となる。このとき、信号φＲＳＣの電圧値を一時的にＶＬとして、ＭＯＳトランジスタＴ６をＯＮとして、キャパシタＣをリセットした後、信号φＲＳＣの電圧値をＶＨに戻す。

その後、信号φＲＳの電圧値をＶＭとした後に、信号φＶPDをハイからローとして、ＭＯＳトランジスタＴ２のドレインに与える直流電圧を低くする。これにより、浮遊拡散層ＦＤの電圧が、ＭＯＳトランジスタＴ２の閾値に応じて低下することとなる。即ち、サブスレッショルド動作を行うＭＯＳトランジスタＴ２の閾値のバラツキが、浮遊拡散層ＦＤの電圧に反映されることとなる。そして、この浮遊拡散層ＦＤの電圧値が定常状態となると、信号φＶPDをローからハイとして直流電圧ＶRSがＭＯＳトランジスタＴ２のドレインに印加される状態とする。

このとき、浮遊拡散層ＦＤにゲートが接続されたＭＯＳトランジスタＴ５は、浮遊拡散層ＦＤにおける電圧値とコンデンサＣとの接続ノードにおける電圧値とによる電圧差が、ＭＯＳトランジスタＴ５の閾値電圧を超えるまでは大電流を流すことができる。よって、コンデンサＣとＭＯＳトランジスタＴ５のドレインとの接続ノードに現れる電圧が、ＭＯＳトランジスタＴ５の閾値電圧のバラツキに応じて降下することとなる。

これにより、コンデンサＣとＭＯＳトランジスタＴ５のドレインとの接続ノードにサンプルホールドされる電圧値が、ＭＯＳトランジスタＴ２，Ｔ５の閾値電圧に応じた値となる。よって、信号φＶPDをローからハイとした後、ハイとなるパルス信号φＶが与えられてＭＯＳトランジスタＴ４がＯＮとされると、ＭＯＳトランジスタＴ２，Ｔ５の閾値電圧のバラツキ成分を含むノイズ信号が出力される。これにより、ｋＴＣノイズを含む、各画素のＭＯＳトランジスタＴ２，Ｔ５の閾値電圧によるバラツキを除去した画像信号を、補正回路１８から出力することができる。

尚、本例においても、第１例と同様、信号φＴＸをローとするとともに、信号φＲＳの電圧値をＶＨとした後に、ハイとなるパルス信号φＶを与えルものとしても構わない。即ち、まず、埋込型フォトダイオードＰＤから浮遊拡散層ＦＤへの光電荷の転送を禁止するとともに、ＭＯＳトランジスタＴ５をＯＦＦとして、コンデンサＣに撮像後の電圧値をサンプルホールドした後に、画像信号を出力するものとしても構わない。

は、本発明の実施形態における固体撮像装置の構成を示すブロック図である。 は、図１の固体撮像装置に備えられる画素の構成を示す回路図である。 は、図２の画素における線形変換動作時の各信号の状態を示すタイミングチャートである。 は、図３のタイミングチャートで動作する際の画素における各チャンネルのポテンシャル状態を示す図である。 は、図２の画素における対数変換動作時の各信号の状態を示すタイミングチャートである。 は、図５のタイミングチャートで動作する際の画素における各チャンネルのポテンシャル状態を示す図である。 は、図２の画素における自動切換動作時の各信号の状態を示すタイミングチャートである。 は、図７のタイミングチャートで動作する際の画素における各チャンネルのポテンシャル状態を示す図である。 は、図２の画素における線形変換動作から対数変換動作へ切り換える場合の各信号の状態を示すタイミングチャートである。 は、図２の画素における線形変換動作から自動切換動作へ切り換える場合の各信号の状態を示すタイミングチャートである。 は、図２の画素における対数変換動作から線形変換動作へ切り換える場合の各信号の状態を示すタイミングチャートである。 は、図２の画素における自動切換動作から線形変換動作へ切り換える場合の各信号の状態を示すタイミングチャートである。 は、図２の画素における自動切換動作時の各信号の状態を示すタイミングチャートである。 は、図１３のタイミングチャートで動作する際の画素における各チャンネルのポテンシャル状態を示す図である。 は、図２の画素における自動切換動作から線形変換動作へ切り換える場合の各信号の状態を示すタイミングチャートである。 は、図１の固体撮像装置に備えられる画素の別の構成を示す回路図である。 は、図１６の画素における自動切換動作時の各信号の状態を示すタイミングチャートである。 は、従来の固体撮像装置に設けられる画素の構成を示す回路図である。 は、画素の構成を示す概略構成図である。 は、従来の固体撮像装置に設けられる画素における各チャンネルのポテンシャル状態を示す図である。

符号の説明

１１ 垂直走査回路
１２ 水平走査回路
１３−１〜１３−ｎ ライン
１４−１〜１４−ｍ 出力信号線
１５ 電源ライン
１６−１〜１６−ｍ 定電流源
１７−１〜１７−ｍ サンプルホールド回路
１８ 補正回路
２０ Ｐ型層
２１ Ｎ型埋込層
２２，２４ 絶縁膜
２３，２５ ゲート電極
３０ Ｐ型基板
３１ Ｐ型ウェル層
５０ 減算器
５１ 演算器
ＦＤ Ｎ型浮遊拡散層
Ｄ Ｎ型拡散層
ＰＤ 埋込型フォトダイオード
Ｔ１〜Ｔ６ ＭＯＳトランジスタ
ＴＧ 転送ゲート
ＲＧ リセットゲート

Claims (4)

1. 入射光量に応じた光電荷を発生して内部に蓄積する光電変換素子と、該光電変換素子からの光電荷が転送されて一時的に保持する電荷保持部と、前記光電変換素子と前記電荷保持部との間に形成される転送ゲートと、を有する複数の画素を備える固体撮像装置において、
   前記画素が、
   前記電荷保持部に第１電極が接続されるとともに第２電極に直流電圧が印加され、制御電極に３値の電圧値が切り換えられる第１制御信号が入力される第１トランジスタと、
   第１電極、第２電極、及び制御電極を備えるとともに、制御電極が前記電荷保持部に接続された第２トランジスタと、
   前記第２トランジスタの第１電極に第２電極が接続されるとともに第１電極に直流電圧が印加され、制御電極に３値の電圧値が切り換えられる第２制御信号が入力される第３トランジスタと、
   前記第２トランジスタの第１電極に一端が接続される容量素子と、
   を備え、
   前記第２制御信号を中間となる電圧値とすることにより前記第３トランジスタを定電流負荷として使用することで、全ての輝度範囲において入射光量の積分値に対して線形的に変化する電気信号を前記画素より出力させる第１状態とし、
   前記第１制御信号を中間となる電圧値とすることにより前記第１及び第２トランジスタをサブスレッショルド領域で駆動することで、少なくとも一部の輝度範囲において入射光量の積分値に対して自然対数的に変化する電気信号を前記画素より出力することが可能な第２状態とすることを特徴とする固体撮像装置。
2. 前記第１状態による撮像動作を行うとき、前記第１制御信号を３値の電圧値のうち中間となる電圧値を使用することなく２値の電圧値による信号として、前記第１トランジスタを前記電荷保持部のリセット用トランジスタとして使用し、
   前記第２状態による撮像動作を行うとき、前記第２制御信号を３値の電圧値のうち中間となる電圧値を使用することなく２値の電圧値による信号として、前記第３トランジスタを前記容量素子のリセット用トランジスタとして使用することを特徴とする請求項１に記載の固体撮像装置。
3. 前記画素と接続されて前記画素から電気信号が出力される出力信号線を備え、
   前記画素が、
   前記容量素子に現れる電気信号を増幅する増幅部と、
   前記出力信号線に接続されて、該増幅部で増幅された電気信号を前記出力信号線に出力する読み出し用スイッチと、
   を備えることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の固体撮像装置。
4. フレーム毎の前記撮像動作が前記第１状態及び前記第２状態の間で選択されて切り替わることを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれかに記載の固体撮像装置。

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