JP5080794B2 - 固体撮像装置およびカメラ - Google Patents

Description

本発明は、受光量に応じた輝度信号を出力する固体撮像装置に関し、特に、強い光が入射したときに画像が黒つぶれする現象を防止する固体撮像装置およびカメラに関する。

近年、家庭用ビデオカメラやデジタルスチルカメラなどの固体撮像装置を用いた撮像機器が広く普及してきた。これらの撮像機器には、固体撮像装置として、増幅型のイメージセンサを備えるものがある。

増幅型のイメージセンサは、雑音が低い等の優れた特徴がある反面、強い光を入射したときに画像が黒つぶれするという問題がある。これは、強い光によって受光素子からあふれ出した電荷が検出用コンデンサに貯まってしまうために、蓄積可能な電荷量が減少し、本来、白色となる画像が黒色になってしまうという現象である。

そのために、従来、このような黒つぶれ現象を回避する様々な技術が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

特許文献１には、黒つぶれ現象を回避する技術として、増幅型のイメージセンサであるＭＯＳイメージセンサにおいて、単位セル毎に、リード電圧が所定の範囲の電圧である場合にリセット電圧とリード電圧との差分を示す輝度信号を出力し、リード電圧が所定の範囲の電圧でない場合に高輝度を示す輝度信号を出力する出力手段を備えるＭＯＳイメージセンサが開示されている。このような工夫によって、特許文献１に記載されたイメージセンサは、黒つぶれ現象を回避しようとしている。
特開２００４−３１２７８５号公報

しかしながら、特許文献１の回路は、以下の課題を有している。
特許文献１の回路では、クランプ容量をバイパスするバイパストランジスタが設けられ、そのバイパストランジスタのソースにリード電圧が印加されるが、そのゲート端子にバイアスを印加することで、高輝度光によるリード電圧の低下が所定の範囲の電圧を超えると、バイパストランジスタのサブスレショルド領域で電流が流れ、高輝度を示す輝度信号が出力される。ところが、サブスレショルド領域の電流は微小であるために、単位セルのリード電圧のシフトおよびバラツキにより、サブスレショルド電流がばらつく場合がある。そのために、特許文献１の回路は、高輝度を示す輝度信号の出力動作が不安定になるという課題を有している。

また、特許文献１の回路では、固体撮像装置における駆動周波数や駆動タイミング等を変更した場合には、電流が流れる時間が変わるため、バイパストランジスタのゲート電圧を修正し、サブスレショルド電流を最適化する必要がある。つまり、特許文献１の回路は、駆動周波数や駆動タイミングを変更する度に、高輝度の判定回路を設計変更しなければならないという課題も有している。

さらに、特許文献１の回路では、製造上のプロセス変動等によるリード電圧のシフトや、上記サブスレショルド電流のバラツキに対して、高輝度の判定を確保するためには、上記所定の範囲を維持する必要があり、そのために、輝度信号の範囲が狭められてしまう。つまり、特許文献１の回路は、製造上のプロセス変動等による信号のシフトやバラツキに対して、一定のマージンを確保した状態で高輝度の判定を確実に行うためには、輝度信号のダイナミックレンジが減少してしまうという課題も有している。

そこで、上記課題に鑑み、本発明は、強い光が入射したときに画像が黒つぶれするという問題に対して、バラツキマージンを確保した状態で黒つぶれ現象を確実に判定するとともに、駆動周波数の変更等に対して設計変更することなく、かつ、製造上のプロセス変動等に対しても信号のダイナミックレンジを維持した状態で黒つぶれ現象を確実に判定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。

上記目的を達成するために、本発明に係る固体撮像装置は、受光量に応じた輝度信号を出力する固体撮像装置であって、光電変換部と前記光電変換部をリセットする第１のリセットトランジスタとを含み、前記第１のリセットトランジスタによる前記光電変換部のリセット完了後且つ前記第１のリセットトランジスタがオフしている期間の出力電圧であるリセット電圧と前記光電変換部での光電変換により生じた電圧であるリード電圧とを出力する画素回路が１次元又は２次元状に複数個配列されてなる撮像部と、複数の前記画素回路に接続され、前記画素回路から出力された前記リセット電圧と前記リード電圧とを伝送するための第１信号出力線と、前記第１信号出力線に接続され、前記第１信号出力線に出力された前記リセット電圧と前記リード電圧とに基づいて、前記光電変換部での受光量に応じた輝度信号を第２信号出力線から出力する信号出力回路と、前記第１信号出力線と第１容量によって結合された高輝度判定回路とを備え、前記高輝度判定回路は、前記高輝度判定回路をリセットする第２のリセットトランジスタがオンしている期間の前記第１信号出力線の出力電圧である初期リセット電位を基準とした前記第１信号出力線における電圧信号の交流成分に基づいて、前記光電変換部への入射光が高輝度であるか否かを判定し、高輝度であると判定した場合に、前記第２信号出力線に、高輝度であることを示す輝度信号を出力することを特徴とする。つまり、前記高輝度判定回路は、前記第１信号出力線における電圧信号のうち、交流成分に基づいて、前記入射光が高輝度であるか否かを判定する。

これによって、画素回路と高輝度判定回路とは容量によって結合されているので、画素回路からの出力信号のうち、交流成分によって高速に高輝度の判定が行われる。よって、出力信号のバラツキやシフト等の直流的な変動の影響を受けることなく安定して高輝度の判定が行われるとともに、駆動周波数等を変更した場合であっても高輝度判定回路を設計変更する必要がなく、さらに、出力信号の直流的な変動の影響を受けることなく高輝度の判定が行われるので、高輝度の判定のために輝度情報のダイナミックレンジが狭められてしまうという不具合が発生することもない。

ここで、前記高輝度判定回路は、前記光電変換部がリセットされる期間、又は、リセットされた直後に、前記入射光が高輝度であるか否かを判定するのが好ましい。特に、リセットされる期間に並行して判定することで、駆動タイミングが短縮化される。

また、前記高輝度判定回路は、前記第１容量に接続された信号線である判定入力線と、一端が前記判定入力線に接続された第２容量と、前記第２容量の他端に接続され、前記第２容量を介して前記判定入力線に一定電圧を加算するバイアス電圧加算回路とを含み、前記一定電圧が加算された後の前記判定入力線における電圧と一定のしきい値とを比較することによって前記入射光が高輝度であるか否かを判定する構成としてもよい。これによって、簡単な回路で通常時と高輝度時とが判定される。

ここで、前記高輝度判定回路は、前記第１容量の一端に接続された信号線である判定入力線と、一端が前記第１容量の他端に接続された第２容量と、前記第２容量の他端に接続され、前記第２容量を介して前記判定入力線に一定電圧を加算するバイアス電圧加算回路とを含み、前記一定電圧が加算された後の前記判定入力線における電圧と一定のしきい値とを比較することによって前記入射光が高輝度であるか否かを判定する構成とするのが好ましい。これによって、第１信号出力線から判定入力線に信号が伝達されるときに容量によって分圧されてしまうことが回避され、信号を減衰させることなく、高精度で高輝度が判定される。

また、前記高輝度判定回路は、前記第１容量と接続され、前記第１容量を介した前記第１信号出力線と当該高輝度判定回路との接続を切断及び導通させる第１スイッチトランジスタを含み、前記第１スイッチトランジスタは、前記第１信号出力線における電圧信号及び前記高輝度判定回路の入力段における電圧信号が変動するときに、前記接続を切断するのが好ましい。第１信号出力線と高輝度判定回路とが相互に無用な影響を与え合うことが防止され、安定した高輝度の判定が可能になる。

また、前記高輝度判定回路は、前記第１信号出力線に出力された前記リセット電圧と前記リード電圧との差分が所定の範囲内であるか否かを判定し、前記差分が所定の範囲内でない場合に、前記入射光が高輝度であると判定するが、このとき、前記所定の範囲は、前記画素回路に最大輝度の光が入射したときに前記高輝度判定回路に入力される電圧信号を含む範囲であり、かつ、前記画素回路から前記高輝度判定回路に入力される電圧信号のダイナミックレンジよりも小さい範囲に設定しておくのが好ましい。これによって、確実に、通常時の輝度信号と区別して高輝度時を検出することができる。

また、前記高輝度判定回路は、前記入射光が高輝度であると判定した場合に、前記信号出力回路から前記第２信号出力線に出力される輝度信号の極性と同極性であって、かつ、前記輝度信号の飽和以上の電圧を前記第２信号出力線に出力する判定出力回路を含む構成をするのが好ましい。これによって、第２信号出力線には、同極性であって、かつ、通常時の輝度信号と高輝度時の輝度信号とが区別して出力されるので、この信号を処理する後段の回路が簡素化される。

また、前記高輝度判定回路は、前記第１容量に接続された信号線である判定入力線と、前記判定入力線における電圧信号に基づいて、前記入射光が高輝度であるか否かを判定するとともに、前記判定入力線における電圧信号を増幅し、増幅して得られた信号を前記判定の結果を示す信号として出力する判定増幅回路とを含む構成としてもよい。これにより、高輝度の判定だけでなく、増幅された信号が判定結果として出力されるので、ノイズ等の影響を受けることなく、安定して、通常時／高輝度時を示す輝度信号が第２信号出力線に出力される。

また、前記高輝度判定回路は、前記光電変換部が前記第１信号出力線に前記リセット電圧を出力してから前記リード電圧を出力するまでの期間を含む期間、又は、前記リード電圧を出力してから次の撮像期間におけるリセット電圧を出力するまでの期間に、前記入射光が高輝度であるか否かを判定するとともに、高輝度であることを示す前記輝度信号を出力する構成としてもよい。特に、リセット電圧を出力してからリード電圧を出力するまでの期間を含む期間において入射光が高輝度であるか否かを判定するとともに、高輝度であることを示す輝度信号を出力するのが好ましい。これにより、通常時の輝度信号の生成と並行して高輝度の判定と出力が行われ、駆動タイミングの短縮化が図られる。

また、高輝度の判定においては、光電変換部に対して、光電変換のためのリセットよりも遅らせたタイミングで、判定のためのリセットを事前にしておくのが好ましい。これによって、光電変換部での初期化リセットによる判定入力線の電位変動がなくなった状態で判定入力線が初期化リセットされるので、安定した判定が可能となる。

なお、本発明は、以上のような固体撮像装置として実現できるだけでなく、固体撮像装置の駆動方法、固体撮像装置を備える撮像カメラ、固体撮像装置等を半導体基板上に実現した集積回路としても実現できる。

本発明に係る固体撮像装置等によれば、画素回路と高輝度判定回路とは容量によって結合され、画素回路からの出力信号のうち、交流成分によって高速に高輝度の判定が行われる。よって、強い光が入射したときに画像が黒つぶれするという問題に対して、バラツキマージンを確保した状態で黒つぶれ現象を確実に判定するとともに、駆動周波数の変更等に対して設計変更することなく、かつ、製造上のプロセス変動等に対しても信号のダイナミックレンジを維持した状態で黒つぶれ現象を確実に判定することができる固体撮像装置が実現される。

よって、家庭用ビデオカメラやデジタルスチルカメラなどの固体撮像装置を用いた撮像機器が広く普及してきた今日において、本発明の実用的価値は極めて高いといえる。

以下、本発明に係る固体撮像装置の実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。

（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１における固体撮像装置の全体構成を示す図である。

この固体撮像装置は、受光量に応じた輝度信号を出力するとともに、黒つぶれ現象を回避する機能を有する増幅型イメージセンサであり、撮像部１、負荷回路２、行選択エンコーダ３、列選択エンコーダ４、信号処理部５及び出力回路６から構成される。

撮像部１は、光を電気信号に変換する光電変換部を含み、光電変換部がリセットされたときの電圧であるリセット電圧と光電変換部での光電変換により生じた電圧であるリード電圧とを出力する画素回路（単位セル）が１次元又は２次元状に複数個配列されてなる撮像領域である。図１では、３×３の２次元上に配列された９画素の例が示されているが、実際の総画素数は、１次元で数千個、２次元で数十万〜数百万個程度である。

負荷回路２は、縦１列毎に同一の回路が１個接続されており、出力電圧を読み出すために列単位で撮像部１の画素に負荷をかける回路である。

行選択エンコーダ３は、横１行毎に、「ＲＥＳＥＴ」、「ＲＥＡＤ」、「ＬＳＥＬ」の３本の制御線を介して制御信号を出力する回路であり、各制御信号によって、撮像部１の画素に対して、行単位で、それぞれ、リセット（初期化）、リード（読み出し）、及び、ラインセレクト（行選択）の動作を制御する。

列選択エンコーダ４は、縦１列毎に、制御線を介して列選択信号を出力する回路であり、列選択信号によって撮像部１の列を順次選択する。

信号処理部５は、縦１列毎に同一の回路が１個接続されており、撮像部１からの列単位の出力信号を処理して、順次、出力回路６に出力する。

出力回路６は、信号処理部５から順に送られてくる信号に対して、外部に出力するために必要な変換を施し、出力する。

図２は、図１に示された固体撮像装置における、１画素に着目した詳細な回路図である。ここには、負荷回路１００、画素回路１１０及び信号処理回路１２０（高輝度判定回路１４０が含まれる）が示されている。これらの回路は、本実施の形態においては、いずれも、ＮＭＯＳトランジスタで構成されている。なお、本図において、各トランジスタのゲートに付された符号は、そのゲートに供給される制御パルスの信号名である。また、各種制御パルスは、図１に示された行選択エンコーダ３や列選択エンコーダ４からの信号等を用いて、後述するタイミングでレベルが変化する各種パルスを生成し、各トランジスタに供給する制御パルス生成回路（信号処理部５中に設けられた不図示の回路、あるいは、後述するタイミング制御部）から出力される。

負荷回路１００は、図１に示される負荷回路２中の１個の回路に相当し、第１信号出力線１０２と接地電位（ＧＮＤ）との間に接続された負荷用トランジスタ１０１を含む。負荷用トランジスタ１０１のゲートには負荷電圧（ＬＧ）が供給される。

画素回路１１０は、図１に示される撮像部１中の１個の単位セルに相当し、初期化時の電圧を増幅したリセット電圧と読み出し時の電圧を増幅したリード電圧とを第１信号出力線１０２に出力する回路であり、入射した光を光電変換し電荷を出力するフォトダイオード等の受光素子１１１と、受光素子１１１により発生した電荷を蓄積し、蓄積した電荷を電圧信号として出力するコンデンサ（フローティングディフージョン）１１２と、コンデンサ１１２の示す電圧が初期電圧（ここでは、ＶＤＤ）になるようにリセットするリセットトランジスタ１１３と、受光素子１１１により出力される電荷をコンデンサ１１２に供給するリードトランジスタ１１４と、コンデンサ１１２の示す電圧に追従して変化する電圧を出力する増幅用トランジスタ１１５と、行選択エンコーダ３からＬＳＥＬ（ラインセレクト）信号を受けた時に増幅用トランジスタ１１５の出力を第１信号出力線１０２に出力するラインセレクトトランジスタ１１６とを含む。

なお、画素回路１１０を構成する要素のうち、光を電気信号（電圧）に変換する役割を果たす主要部である受光素子１１１とコンデンサ１１２とを併せて、光電変換部と呼ぶことができる。

信号処理回路１２０は、図１に示される信号処理部５中の縦１列用の１個の回路に相当し、（１）第１信号出力線１０２に接続され、第１信号出力線１０２に出力されたリセット電圧とリード電圧とに基づいて、光電変換部での受光量に応じた輝度信号を第２信号出力線１０４から出力する信号出力回路（信号処理回路１２０のうち、高輝度判定回路１４０を除く部分）と、（２）第１信号出力線１０２と容量結合され、第１信号出力線１０２における電圧信号に基づいて、光電変換部への入射光が高輝度であるか否かを判定し、高輝度であると判定した場合に、第２信号出力線１０４に、高輝度であること（受光素子１１１に強い光が入射したこと）を示す輝度信号を出力する高輝度判定回路１４０とから構成される。

なお、受光素子１１１に強い光が入射した状態、つまり、従来であれば画像が黒つぶれしてしまう状態を「高輝度時」、そうでない状態、つまり、強い光が入射していない状態を「通常時」と呼ぶ。

信号出力回路は、画素回路１１０から第１信号出力線１０２に出力されたリセット電圧とリード電圧との差分が所定の範囲である場合に、その差分を通常時の輝度信号として出力する回路であり、第３信号出力線１０３と第２信号出力線１０４との間に直列に接続されたサンプリングトランジスタ１２１及びクランプ容量１２２と、第２信号出力線１０４と接地電位との間に接続されたサンプリング容量１２３と、第２信号出力線１０４と基準電圧（リセット基準電圧）端子との間に接続されたクランプトランジスタ１２４と、第１信号出力線１０２の電圧を増幅し第３信号出力線１０３に出力する反転増幅器１２５と、反転増幅器１２５をリセットし、動作の基準電位を決定する反転増幅器リセットトランジスタ１２６と、第１信号出力線１０２の交流成分を反転増幅器１２５に伝達する反転増幅器結合容量１２７とを含む。

なお、サンプリングトランジスタ１２１、クランプ容量１２２、サンプリング容量１２３及びクランプトランジスタ１２４は、単位セルより出力される信号に含まれるノイズを除去する機能を有し、ノイズキャンセル回路を構成している。

高輝度判定回路１４０は、第１信号出力線１０２における電圧信号のうち、交流成分に基づいて、画素回路への入射光が高輝度であるか否かを判定する回路である。具体的には、この高輝度判定回路１４０は、画素回路１１０から第１信号出力線１０２に出力されたリセット電圧とリード電圧との差分が所定の範囲を越える場合に、高輝度であることを示す輝度信号を出力する回路であり、大きく分けて、判定入力回路１４１、判定増幅器１４２及び判定出力回路１４３より構成される。ここで、「所定の範囲」は、画素回路１１０に最大輝度の光が入射したときに高輝度判定回路１４０に入力される電圧信号を含む範囲であり、かつ、画素回路１１０から高輝度判定回路１４０に入力される電圧信号のダイナミックレンジよりも小さい範囲である。このような範囲に設定しておくことで、第２信号出力線１０４に出力された輝度信号が通常時の信号であるか高輝度時の信号であるかを区別することができる。

判定入力回路１４１は、この高輝度判定回路１４０の入力段の回路であり、容量結合によって、第１信号出力線１０２における信号のうち交流成分を高速に取り込むという特徴を有し、その容量結合を実現する判定入力結合容量１４５と接続され、その判定入力結合容量１４５を介した第１信号出力線１０２と当該高輝度判定回路１４０との接続を切断及び導通させる入力スイッチトランジスタ１４４、判定入力結合容量１４５、判定バイアスと接地電位とを切り替えて判定入力線１４６に伝達する判定待機スイッチトランジスタ１４８および判定バイアス入力スイッチトランジスタ１４９、判定バイアス結合容量１４７、判定機能停止時に消費電流を低減させるために判定入力線１４６を接地させるスタンバイスイッチトランジスタ１５０及び判定入力線１４６を初期化リセットする判定容量初期化トランジスタ１５１を含む。

なお、判定待機スイッチトランジスタ１４８および判定バイアス入力スイッチトランジスタ１４９は、判定バイアス結合容量１４７を介して判定入力線１４６に一定電圧を加算するバイアス電圧加算回路を構成している。また、入力スイッチトランジスタ１４４は、第１信号出力線１０２における電圧信号及び高輝度判定回路の入力段（判定入力線１４６）における電圧信号が変動するときに、誘導が伝達して相互に悪影響を与えないように、判定入力結合容量１４５を介した第１信号出力線１０２と高輝度判定回路１４０の入力段との接続を切断する。

判定増幅器１４２は、判定入力線１４６における電圧信号に基づいて、画素回路１１０への入射光が高輝度であるか否かを判定するとともに、判定入力線１４６における電圧信号を増幅し、増幅して得られた信号を判定結果として出力する回路であり、本実施の形態では、バイアス電圧加算回路によって一定電圧が加算された後の判定入力線１４６における電位と一定のしきい値とを比較することによって「高輝度時」であるか「通常時」であるかを判定し、その結果を判定出力線１５２に出力する。この判定増幅器１４２は、直列に接続された２個のトランジスタから構成され、コンパレータとして機能する。つまり、判定入力線１４６の電圧が、接地電位に接続されたＮＭＯＳトランジスタのしきい値よりも大きい場合（通常時）に、判定出力線１５２にＬＯ（接地電位）を出力し、判定入力線１４６の電圧がそのしきい値よりも小さい場合（高輝度時）に、判定出力線１５２にＨＩ（ＶＤＤ）を出力する。

判定出力回路１４３は、判定増幅器１４２によって高輝度時であると判定された場合に、信号出力回路から第２信号出力線１０４に出力される輝度信号の極性と同極性であって、かつ、その輝度信号の飽和以上の電圧を第２信号出力線１０４に出力する回路であり、本実施の形態では、判定出力線１５２を介して送られてくる信号（判定結果）に基づいて、クリップ電圧を第２信号出力線１０４に出力する（又は、出力しない）。この判定出力回路１４３は、判定出力線１５２の信号をクリップトランジスタ１５５に伝達する出力スイッチトランジスタ１５３、判定機能の停止時における消費電流を低減させるためにクリップトランジスタ１５５のゲート（制御端子）を接地させるスタンバイスイッチトランジスタ１５４及びクリップ電圧を第２信号出力線１０４に導通または非道通させるクリップトランジスタ１５５を含む。クリップトランジスタ１５５は、判定増幅器１４２によって判定結果が高輝度であると判定された場合（判定出力線１５２がＨＩＧＨである場合）、第２信号出力線１０４が保持している輝度信号に代えて、高輝度であることを示す輝度信号（つまり、クリップ電圧）を第２信号出力線１０４へ出力する。本実施の形態では、判定出力回路１４３は、画素回路１１０が第１信号出力線１０２にリード電圧を出力してから次の撮像期間におけるリセット電圧を出力するまでの期間に、画素回路１１０への入射光が高輝度であるか否かを判定するとともに、高輝度であることを示す輝度信号を出力する。

なお、クリップ電圧は、第２信号出力線１０４の信号極性によって、リセット基準電圧に対して、プラスの電圧及びマイナス電圧のいずれかを選択すればよい。本実施の形態１では、通常時の輝度信号として、リセット基準電圧に対してプラスの電圧信号が第２信号出力線１０４に出力されるので、クリップ電圧も、リセット基準電圧に対してプラスの電圧に設定されているが、これとは逆に、通常時の輝度信号として、リセット基準電圧に対してマイナスの電圧信号が第２信号出力線１０４に出力される場合には、クリップ電圧も、リセット基準電圧に対してマイナスの電圧に設定される。具体的には、クリップ電圧は、第２信号出力線１０４におけるリセット基準電圧との差が飽和信号以上となるような一定の電圧に設定しておくことが望ましい。通常時の輝度信号と高輝度であることを示す輝度信号との区別を可能にするためである。

また、判定入力回路１４１のスタンバイスイッチトランジスタ１５０及び判定出力回路１４３のスタンバイスイッチトランジスタ１５４は、接続端子（それぞれ、判定増幅器１４２の制御端子及びクリップトランジスタ１５５の制御端子）を一定電位に固定することで、黒つぶれ判定機能を停止し、消費電流を抑制する機能も果たしている。

このように、本実施の形態１における固体撮像装置は、強い光が入射したときに画像が黒つぶれするという現象をノイズキャンセル回路で判定できる（つまり、ノイズキャンセル回路における第２信号出力線１０４に通常の輝度信号と高輝度であることを示す輝度信号とが選択的に出力される）構成を備えている。

次に、本実施の形態１の固体撮像装置において画像の黒つぶれを判定して黒つぶれによる画像特性の劣化を防ぐことが出来る本発明に係る固体撮像装置の駆動方法について説明する。

図３は、図２に示される回路を制御する信号（制御パルス）のタイミングを示す図である。各パルスはトランジスタのゲートに供給され、ＨＩＧＨのときにトランジスタをＯＮにし、ＬＯＷのときにトランジスタをＯＦＦにする。

ラインセレクトパルスＬＳＥＬは、画素回路１１０のラインセレクトトランジスタ１１６のゲートに供給され、画素回路１１０を選択するための制御信号である。なお、反転ラインセレクトパルスＬＳＥＬＢは、ラインセレクトパルスＬＳＥＬの反転信号であり、判定入力回路１４１のスタンバイスイッチトランジスタ１５０のゲートに供給され、高輝度判定回路１４０を停止状態から機能させる状態に制御するための制御信号である。

サンプリングパルスＳＰは、信号処理回路１２０のサンプリングトランジスタ１２１のゲートに供給され、第３信号出力線１０３の信号を第２信号出力線１０４へ伝達させるための制御信号である。

クランプパルスＣＰは、信号処理回路１２０のクランプトランジスタ１２４のゲートに供給され、第２信号出力線１０４を初期化リセットするための制御信号である。

反転増幅器リセットパルスＡＭＰＣＬは、信号処理回路１２０の反転増幅器リセットトランジスタ１２６のゲートに供給され、ノイズ低減のために設けられた反転増幅器１２５を初期化リセットするための制御信号である。

リセットパルスＲＥＳＥＴは、画素回路１１０のリセットトランジスタ１１３のゲート及び判定入力回路１４１の判定容量初期化トランジスタ１５１のゲートに供給され、画素回路１１０のコンデンサ１１２を初期化リセットするとともに、高輝度判定回路１４０を初期化リセットするための制御信号である。

リードパルスＲＥＡＤは、画素回路１１０のリードトランジスタ１１４のゲートに供給され、受光素子１１１に蓄積された電荷をコンデンサ１１２に転送するための制御信号である。

判定回路制御パルス１（ＲＳ１）は、判定出力回路１４３の出力スイッチトランジスタ１５３のゲートに供給され、高輝度判定回路１４０による判定結果をクリップトランジスタ１５５に伝達するための制御信号である。

判定回路制御パルス２（ＲＳ２）は、判定入力回路１４１の判定バイアス入力スイッチトランジスタ１４９のゲートに供給され、判定増幅器１４２による判定を行わせるための制御信号である。なお、反転判定回路制御パルスＲＳ２Ｂは、判定回路制御パルスＲＳ２の反転信号であり、判定入力回路１４１の入力スイッチトランジスタ１４４、判定待機スイッチトランジスタ１４８及び判定出力回路１４３のスタンバイスイッチトランジスタ１５４のゲートに供給され、判定時及び判定の待機時における状態を維持するための制御信号である。

図４は、この固体撮像装置の主要箇所における信号波形を示す図である。ここでは、画素回路１１０の出力である第１信号出力線１０２、高輝度判定回路１４０内の判定入力線１４６、判定出力線１５２及び第２信号出力線１０４における信号波形が示されている。なお、本図において、通常時における信号波形（「通常時信号出力」）は実線で、高輝度時における信号波形（「高輝度時信号出力」）は太線で示されている。本図に示されるタイミングＡ〜Ｆは、図３に示されたものに対応する。以下、各タイミングＡ〜Ｆにおける動作を説明する。

タイミングＡでは、リセットパルスＲＥＳＥＴのＨＩＧＨによって、リセットトランジスタ１１３を介して画素回路１１０のコンデンサ１１２が初期化され、判定容量初期化トランジスタ１５１を介して判定入力線１４６と判定出力線１５２とが初期化リセットされる。

タイミングＢでは、反転増幅器リセットパルスＡＭＰＣＬのＬＯによって、反転増幅器リセットトランジスタ１２６を介して反転増幅器１２５の初期化リセットが完了し、クランプパルスＣＰによって、クランプトランジスタ１２４を介して第２信号出力線１０４の初期化リセットが完了する。この時、高輝度が入射すると受光素子１１１の電荷が溢れてコンデンサ１１２に注入され、コンデンサ１１２のリセット電位が低下する。この電位低下は、ラインセレクトトランジスタ１１６を介して第１信号出力線１０２に出力される。よって、高輝度時においては、第１信号出力線１０２の電位は、高輝度時信号出力（太線）のように、通常時信号出力（実線）に対して電位が低下する。このような第１信号出力線１０２での電位の低下は、入力スイッチトランジスタ１４４及び判定入力結合容量１４５を介して判定入力線１４６に高速に伝達される。なお、このような電位の低下が黒つぶれを発生させる原因である。

タイミングＣでは、リードパルスＲＥＡＤのＨＩＧＨによって、リードトランジスタ１１４を介して受光素子１１１の電荷がコンデンサ１１２に転送される。

タイミングＤでは、サンプリングパルスＳＰのＬＯによって、サンプリングトランジスタ１２１がＯＦＦとなり、第２信号出力線１０４に接続されたサンプリング容量１２３に、リセット電位（タイミングＢにおけるコンデンサ１１２の電位）とリード電位（タイミングＣにおけるコンデンサ１１２の電位）との差分信号が蓄積される。

タイミングＥでは、判定回路制御パルスＲＳ２のＨＩＧＨによって、判定バイアス入力スイッチトランジスタ１４９及び判定バイアス結合容量１４７を介して判定バイアス電圧ＢＷＢＩＡＳが判定入力線１４６に印加され、印加後の判定入力線１４６の電位が判定増幅器１４２のしきい値と比較され、これによって、高輝度時か通常時かが判定される。

より詳しくは、画素回路１１０のコンデンサ１１２の初期リセット電位を判定入力線１４６の初期リセット電位に対応させ、高輝度時は、通常時に比べて、判定入力線１４６の電位が飽和信号（通常時における最大輝度を示す信号）以上に低下することを利用している。つまり、判定入力線１４６の電位低下分を判定バイアス電圧ＢＷＢＩＡＳで加算し、判定初期リセット電位と比較している。高輝度時においては、判定バイアス電圧ＢＷＢＩＡＳが加算された後の判定入力線１４６の電位が判定増幅器１４２のしきい値を超えないために、判定増幅器１４２は非導通となり、判定出力線１５２にＨＩＧＨを出力し、一方、通常時においては、判定バイアス電圧ＢＷＢＩＡＳが加算された後の判定入力線１４６の電位が判定増幅器１４２のしきい値を超えるために、判定増幅器１４２は導通となり、判定出力線１５２にＬＯを出力する。

なお、判定バイアス電圧ＢＷＢＩＡＳは、第１信号出力線１０２のダイナミックレンジよりも少ない電圧に最適化されている。つまり、判定バイアス電圧ＢＷＢＩＡＳは、判定バイアス電圧ＢＷＢＩＡＳが加算された後の判定入力線１４６の電位が、通常時においては、判定増幅器１４２のしきい値を超え、かつ、高輝度時においては、判定増幅器１４２のしきい値を超えないような値に設定されている。また、判定バイアス電圧ＢＷＢＩＡＳが判定入力線１４６に印加される時には、判定入力結合容量１４５を介して第１信号出力線１０２の電位を変動させ、さらには、容量カップリングによって他の受光素子１１１の蓄積電荷を変動させることがないように、第１信号出力線１０２と判定入力線１４６との間は遮断されている、つまり、反転判定回路制御パルスＲＳ２Ｂによって入力スイッチトランジスタ１４４がＯＦＦとなっている。

タイミングＦでは、判定回路制御パルス１（ＲＳ１）のＨＩＧＨによって、判定出力線１５２の電位（判定結果）が出力スイッチトランジスタ１５３を介してクリップトランジスタ１５５に伝達され、クリップ電圧がクリップトランジスタ１５５を介して第２信号出力線１０４に出力される（又は、出力されないで遮断されている）。具体的には、判定出力線１５２での電位がＨＩＧＨ（高輝度時）のときには、クリップトランジスタ１５５はＯＮとなり、クリップ電圧を第２信号出力線１０４に出力し、判定出力線１５２での電位がＬＯ（通常時）のときには、クリップトランジスタ１５５はＯＦＦとなり、第２信号出力線１０４に対して何の影響も与えない。これによって、第２信号出力線１０４には、通常時においては通常の輝度信号が出力され、高輝度時においては高輝度であることを示す輝度信号、つまり、クリップ電圧が出力される。

以上のように、本実施の形態１の固体撮像装置によれば、判定入力結合容量１４５による容量結合によって第１信号出力線１０２と高輝度判定回路１４０とが接続されているので、第１信号出力線１０２における電圧の変化分（高速に変化する信号成分）だけが高輝度判定回路１４０に入力され、各種ドリフト等の直流的な変動の影響を受けることなく、高速に、高輝度の判定が行われる。よって、バイパストランジスタのサブスレショルド電流のバラツキの影響を受けることなく安定して高輝度が判定されるとともに、駆動周波数や駆動タイミング等を変更した場合であってもバイパストランジスタのゲート電圧を修正してサブスレショルド電流を最適化する必要もなく、さらに、製造上のプロセス変動等によるリード電圧のシフトやサブスレショルド電流のバラツキの影響を受けることなく高輝度の判定が行われ、輝度信号の範囲が狭められてしまうことがない。

つまり、本実施の形態１における固体撮像装置によって、強い光が入射したときに画像が黒つぶれするという問題に対して、バラツキマージンを確保した状態で黒つぶれ現象が確実に判定されるとともに、駆動周波数等の変更に対して設計変更することなく、かつ、製造上のプロセス変動等に対しても信号のダイナミックレンジを維持した状態で黒つぶれ現象が確実に判定される。

なお、本実施の形態１では、図３に示されるように、リセットパルスＲＥＳＥＴは、リセットトランジスタ１１３と判定容量初期化トランジスタ１５１とに供給されたが、本発明は、このような接続形態だけに限定されるものではない。たとえば、図５に示されるように、ＯＮからＯＦＦに変化するタイミングが異なる２つのリセットパルス１及び２（ＲＥＳＥＴ１及び２）を生成し、リセットパルス１（ＲＥＳＥＴ１）をリセットトランジスタ１１３に供給し、リセットパルス２（ＲＥＳＥＴ２）を判定容量初期化トランジスタ１５１に供給する構成としてもよい。つまり、高輝度の判定においては、光電変換部の初期化リセットよりも遅らせたタイミングで、事前に、判定のための初期化リセットをしておいてもよい。

これによって、画素回路１１０のコンデンサ１１２の初期化の完了よりも若干遅れて、判定入力線１４６と判定出力線１５２との初期化リセットが完了することとなり、判定入力結合容量１４５等の容量カップリングの影響による判定入力線１４６の電位変動がなくなった状態で判定入力線１４６が初期化リセットされ、安定した高輝度判定が実現される。

（実施の形態２）
次に、本発明の実施の形態２について説明する。本発明の実施の形態２は、高輝度判定回路の回路構成が異なる点を除いて、実施の形態１と同じである。以下、実施の形態１と異なる点だけを説明する。

図６は、本実施の形態の固体撮像装置における、１画素に着目した詳細な回路図である。ここには、負荷回路１００、画素回路１１０及び信号処理回路１２０（高輝度判定回路１４０ａが含まれる）が示されている。これらの回路は、ほとんどがＮＭＯＳトランジスタで構成されているが、一部の回路（判定増幅器１４２ａ）にはＰＭＯＳトランジスタが含まれる（つまり、ＣＭＯＳで構成される）。

高輝度判定回路１４０ａは、判定入力回路１４１、判定増幅器１４２ａ及び判定出力回路１４３より構成される。

判定入力回路１４１を構成する入力スイッチトランジスタ１４４のゲートには、実施の形態１と異なり、判定回路制御パルス１（ＲＳ１）や判定回路制御パルス２（ＲＳ２）とは異なるタイミングをもつ第３の判定回路制御パルスである判定回路制御パルス３（ＲＳ３）が供給される。

判定増幅器１４２ａは、機能的には実施の形態１における判定増幅器１４２と同じであるが、回路構成として、本実施の形態では、直列に接続された１対のＰＭＯＳトランジスタ及びＮＭＯＳトランジスタ（つまり、ＣＭＯＳ）で構成されている。この判定増幅器１４２ａは、コンパレータとして機能する点で、実施の形態１と同じであるが、ＣＭＯＳで構成されているので、判定のしきい値をＶＤＤ／２に設定することができ、より広いダイナミックレンジで通常時か高輝度時かを判定することができる。

図７は、図６に示される回路を制御する信号（制御パルス）のタイミングを示す図である。実施の形態１における図３と比べ、判定回路制御パルス３（ＲＳ３）のタイミングが追加されている。

判定回路制御パルス３（ＲＳ３）は、判定入力回路１４１の入力スイッチトランジスタ１４４のゲートに供給され、第１信号出力線１０２の信号を判定入力結合容量１４５を介して判定入力線１４６へ伝達させるための制御信号である。

図８は、この固体撮像装置の主要箇所における信号波形を示す図である。本図において、通常時における信号波形（「通常時信号出力」）は左側で、高輝度時における信号波形（「高輝度時信号出力」）は右側の太線で示されている。なお、実施の形態１における図４と比べ、タイミングＡ及びＥ〜Ｇにおける動作が実施の形態１と異なる。以下、実施の形態１と異なるタイミングにおける動作だけを説明する。

タイミングＡでは、リセットパルスＲＥＳＥＴのＨＩＧＨと判定回路制御パルスＲＳ３のＨＩＧＨによって、リセットトランジスタ１１３を介して画素回路１１０のコンデンサ１１２が初期化され、判定容量初期化トランジスタ１５１を介して判定入力線１４６と判定出力線１５２とが初期化リセットされる。

タイミングＥでは、再び判定回路制御パルスＲＳ３のＨＩＧＨによって、第１信号出力線１０２での電位低下が、入力スイッチトランジスタ１４４及び判定入力結合容量１４５を介して判定入力線１４６に高速に伝達される。その直後には、判定回路制御パルスＲＳ３がＬＯＷとなり、第１信号出力線１０２と判定入力線１４６との間は遮断される。これは、受光素子１１１の出力電位変動が容量カップリングによって判定入力線１４６の電位を変動させることがないようにするためである。

タイミングＦでは、判定回路制御パルスＲＳ２のＨＩＧＨによって、判定バイアス入力スイッチトランジスタ１４９及び判定バイアス結合容量１４７を介して判定バイアス電圧ＢＷＢＩＡＳが判定入力線１４６に印加され、印加後の判定入力線１４６の電位が判定増幅器１４２ａのしきい値と比較され、これによって、高輝度時か通常時かが判定される。このとき、判定バイアス電圧ＢＷＢＩＡＳが判定入力線１４６に印加される時には、第１信号出力線１０２の電位を変動させ、さらには、容量カップリングによって他の受光素子１１１の蓄積電荷を変動させることがないように、第１信号出力線１０２と判定入力線１４６との間は遮断されている、つまり、判定回路制御パルスＲＳ３によって入力スイッチトランジスタ１４４がＯＦＦとなっている。

タイミングＧでは、判定回路制御パルス１（ＲＳ１）のＨＩＧＨによって、判定出力線１５２の電位（判定結果）が出力スイッチトランジスタ１５３を介してクリップトランジスタ１５５に伝達され、クリップ電圧がクリップトランジスタ１５５を介して第２信号出力線１０４に出力される（又は、出力されないで遮断されている）。具体的には、判定出力線１５２での電位がＨＩＧＨ（高輝度時）のときには、クリップトランジスタ１５５はＯＮとなり、クリップ電圧を第２信号出力線１０４に出力し、判定出力線１５２での電位がＬＯ（通常時）のときには、クリップトランジスタ１５５はＯＦＦとなり、第２信号出力線１０４に対して何の影響も与えない。これによって、第２信号出力線１０４には、通常時においては通常の輝度信号が出力され、高輝度時においては高輝度であることを示す輝度信号、つまり、クリップ電圧が出力される。

以上のように、本実施の形態２の固体撮像装置によれば、判定入力結合容量１４５による容量結合によって第１信号出力線１０２と高輝度判定回路１４０ａとが接続されているので、第１信号出力線１０２における電圧の変化分（高速に変化する信号成分）だけが高輝度判定回路１４０ａに入力され、各種ドリフト等の直流的な変動の影響を受けることなく、高速に、高輝度の判定が行われる。よって、バイパストランジスタのサブスレショルド電流のバラツキの影響を受けることなく安定して高輝度が判定されるとともに、駆動周波数や駆動タイミング等を変更した場合であってもバイパストランジスタのゲート電圧を修正してサブスレショルド電流を最適化する必要もなく、さらに、製造上のプロセス変動等によるリード電圧のシフトやサブスレショルド電流のバラツキの影響を受けることなく高輝度の判定が行われ、輝度信号の範囲が狭められてしまうことがない。

つまり、本実施の形態２における固体撮像装置によって、強い光が入射したときに画像が黒つぶれするという問題に対して、バラツキマージンを確保した状態で黒つぶれ現象が確実に判定されるとともに、駆動周波数等の変更に対して設計変更することなく、かつ、製造上のプロセス変動等に対しても信号のダイナミックレンジを維持した状態で黒つぶれ現象が確実に判定される。

また、本実施の形態２においては、入力スイッチトランジスタ１４４のゲートに、判定回路制御パルス１（ＲＳ１）や判定回路制御パルス２（ＲＳ２）とは異なるタイミングをもつ第３の判定回路制御パルスである判定回路制御パルス３（ＲＳ３）が供給され、受光素子１１１の出力電位変動が容量カップリングによって判定入力線１４６の電位を変動させることがないように工夫されているので、判定増幅器１４２ａは、より安定して、通常時か高輝度時かの判定をすることができる。

さらに、判定増幅器１４２ａは、ＣＭＯＳで構成されているので、省電力化が図られるとともに、判定のしきい値をＶＤＤ／２に設定することができ、より広いダイナミックレンジで通常時か高輝度時かを判定することができる。

（実施の形態３）
次に、本発明の実施の形態３について説明する。本発明の実施の形態３は、実施の形態２と回路構成が同じであるが、固体撮像装置の駆動タイミングだけが実施の形態２と異なる。以下、実施の形態２と異なる点だけを説明する。

実施の形態２では、サンプリング容量１２３に、リセット電位（タイミングＢにおけるコンデンサ１１２の電位）とリード電位（タイミングＣにおけるコンデンサ１１２の電位）との差分信号が蓄積された後、高輝度か通常時かを判定した。しかし、本実施の形態３では、差分信号の蓄積と同時に高輝度か通常時かを判定し、これによって、駆動タイミングを短縮している。

図９は、本実施の形態の固体撮像装置における、１画素に着目した詳細な回路図である。ここには、負荷回路１００、画素回路１１０及び信号処理回路１２０（高輝度判定回路１４０ｂが含まれる）が示されている。この回路の構成は、実施の形態２と同じであるが、高輝度判定回路１４０ｂを構成する入力スイッチトランジスタ１４４、判定待機スイッチトランジスタ１４８及び判定容量初期化トランジスタ１５１のゲートに供給される制御パルスが異なる。

判定入力回路１４１を構成する入力スイッチトランジスタ１４４のゲートには、実施の形態２における判定回路制御パルス１〜３（ＲＳ１〜３）とは異なるタイミングをもつ判定回路制御パルスである判定回路制御パルス５（ＲＳ５）が供給される。

判定入力回路１４１を構成する判定待機スイッチトランジスタ１４８及び判定容量初期化トランジスタ１５１のゲートには、第２リセットパルスＲＥＳＥＴ２が供給される。

なお、判定回路制御パルス１（ＲＳ１）及び判定回路制御パルス２（ＲＳ２）は、それらの供給先となるトランジスタとしては実施の形態２と同じであるが、後述するように、波形（パルスタイミング）が実施の形態２と異なる。

図１０は、図９に示される回路を制御する信号（制御パルス）のタイミングを示す図である。実施の形態２における図７と比べ、第２リセットパルスＲＥＳＥＴ２及び判定回路制御パルス５（ＲＳ５）のタイミングが追加され、判定回路制御パルス１（ＲＳ１）及び判定回路制御パルス２（ＲＳ２）の波形が異なっている。

第２リセットパルスＲＥＳＥＴ２は、判定待機スイッチトランジスタ１４８及び判定容量初期化トランジスタ１５１のゲートに供給され、リセットパルスＲＥＳＥＴによる画素回路１１０のリセット期間において、高輝度判定回路１４０ｂの判定入力回路１４１及び判定増幅器１４２ａを初期化リセットするための制御信号である。

判定回路制御パルス５（ＲＳ５）は、判定入力回路１４１の入力スイッチトランジスタ１４４のゲートに供給され、第１信号出力線１０２の信号を判定入力結合容量１４５を介して判定入力線１４６へ伝達させるための制御信号である。光電変換部が第１信号出力線１０２にリセット電圧を出力してからリード電圧を出力するまでの期間を含む期間において、光電変換部への入射光が高輝度であるか否かを判定することを可能にしている。

判定回路制御パルス１（ＲＳ１）は、判定出力回路１４３の出力スイッチトランジスタ１５３のゲートに供給され、高輝度判定回路１４０ｂによる判定結果をクリップトランジスタ１５５に伝達するための制御信号である。光電変換部が第１信号出力線１０２にリセット電圧を出力してからリード電圧を出力するまでの期間を含む期間において、高輝度であることを示す輝度信号を出力することを可能にしている。

判定回路制御パルス２（ＲＳ２）は、判定入力回路１４１の判定バイアス入力スイッチトランジスタ１４９のゲートに供給され、リセットパルスＲＥＳＥＴによる画素回路１１０のリセット期間において、判定増幅器１４２ａによる判定を行わせるための制御信号である。これによって、光電変換部が第１信号出力線１０２にリセット電圧を出力している期間において、光電変換部への入射光が高輝度であるか否かのしきい値電圧を設定している。

図１１は、この固体撮像装置の主要箇所における信号波形を示す図である。ここでは、画素回路１１０の出力である第１信号出力線１０２、高輝度判定回路１４０ｂ内の判定入力線１４６、第２信号出力線１０４における信号波形が示されている。

タイミングＡ１では、第２リセットパルスＲＥＳＥＴ２によって、判定待機スイッチトランジスタ１４８及び判定容量初期化トランジスタ１５１が一時的に導通することで、高輝度判定回路１４０ｂの判定入力回路１４１及び判定増幅器１４２ａが初期化リセットされる。

タイミングＡ２では、判定回路制御パルス２（ＲＳ２）によって、判定バイアス入力スイッチトランジスタ１４９が一時的に導通し、判定バイアス結合容量１４７を介して判定入力線１４６に判定バイアス電圧が加算され、印加後の判定入力線１４６の電位が判定増幅器１４２ａのしきい値と比較され、これによって、高輝度時か通常時かが判定される。

タイミングＡ３以降では、判定回路制御パルス１（ＲＳ１）のＨＩＧＨによって、判定出力線１５２の電位（判定結果）が出力スイッチトランジスタ１５３を介してクリップトランジスタ１５５に伝達され、クリップ電圧がクリップトランジスタ１５５を介して第２信号出力線１０４に出力される（又は、出力されないで遮断されている）。これによって、光電変換部が第１信号出力線１０２にリセット電圧を出力してからリード電圧を出力するまでの期間を含む期間に、光電変換部への入射光が高輝度であるか否かを判定するとともに、高輝度であることを示す輝度信号が出力される。

以上のように、本実施の形態３の固体撮像装置によれば、光電変換部が第１信号出力線１０２にリセット電圧を出力してからリード電圧を出力するまでの期間を含む期間に、光電変換部への入射光が高輝度であるか否かが判定されるとともに、高輝度であることを示す輝度信号が出力されるので、実施の形態２での効果に加えて、駆動タイミングが短縮化されるという効果が奏される。

（実施の形態４）
次に、本発明の実施の形態４について説明する。本発明の実施の形態４は、高輝度判定回路の回路構成が異なる点を除いて、実施の形態１と同じである。以下、実施の形態１と異なる点だけを説明する。

実施の形態１では、高輝度であるか否かを判定するとともに信号を増幅する判定増幅器を必要としていた。しかし、本実施の形態４では、判定入力回路と判定出力回路に相当する回路だけで高輝度判定回路を構成している。つまり、本実施の形態は、実施の形態１における判定増幅器に相当する回路をもたない高輝度判定回路である。これによって、回路の簡略化、回路規模の縮小化を図っている。

図１２は、本実施の形態の固体撮像装置における、１画素に着目した詳細な回路図である。信号処理回路１２０は、実施の形態１と同じ回路構成からなる信号出力回路（信号処理回路１２０のうち、高輝度判定回路１４０ｃを除く部分）と、実施の形態１と同じ機能をもつが異なる回路構成からなる高輝度判定回路１４０ｃとから構成される。

高輝度判定回路１４０ｃは、大きく分けて、判定回路２１０と共通判定電圧加算回路２００とから構成される。

共通判定電圧加算回路２００は、判定バイアス結合容量１４７ａ、判定待機スイッチトランジスタ１４８ａ及び判定バイアス入力スイッチトランジスタ１４９ａ等からなり、電源（ＶＤＤ）及び接地電位を切り替えて、いずれかの電位を判定バイアス結合容量１４７ａを介して入力スイッチトランジスタ１４４ａに供給するとともに、クリップ電圧をクリップトランジスタ１５５ａに供給する。

判定回路２１０は、実施の形態１における判定増幅器１４２に相当する回路を有することなく、画素回路１１０から第１信号出力線１０２に出力されたリセット電圧とリード電圧との差分が所定の範囲を越える場合に高輝度であることを示す輝度信号を第２信号出力線１０４に出力する回路であり、容量結合によって、第１信号出力線１０２における信号のうち交流成分を高速に取り込むという特徴を有し、第１信号出力線１０２の電位を判定入力線１４６ａに伝達する判定入力結合容量１４５ａ、判定入力線１４６ａ、判定機能を停止するために判定入力線１４６ａを電源に接続させるスタンバイスイッチトランジスタ１５０ａ、共通判定電圧加算回路２００から送られてくる加算電圧の判定入力線１４６ａへの印可を切断する入力スイッチトランジスタ１４４ａ、クリップ電圧を第２信号出力線１０４に出力するクリップトランジスタ１５５ａ及びクリップトランジスタ１５５ａを初期化リセットする判定容量初期化トランジスタ１５１ａを含む。

なお、本実施の形態では、入力スイッチトランジスタ１４４ａ、判定バイアス入力スイッチトランジスタ１４９ａ、スタンバイスイッチトランジスタ１５０ａ、判定容量初期化トランジスタ１５１ａ、クリップトランジスタ１５５ａは、ＰＭＯＳトランジスタで構成されている。

なお、共通判定電圧加算回路２００の判定バイアス結合容量１４７ａ、判定待機スイッチトランジスタ１４８ａおよび判定バイアス入力スイッチトランジスタ１４９ａは、判定入力線１４６ａに一定電圧を加算するバイアス電圧加算回路を構成し、単位セルの縦列単位毎ではなく、図１に示される信号処理部５に設けられる全列に共通の回路で構成してもよい。

クリップトランジスタ１５５ａは、判定容量初期化トランジスタ１５１ａによる初期化（一時的な導通）によって、しきい値が設定され、共通判定電圧加算回路２００によって一定電圧が加算された後、画素回路１１０の初期化時の電圧を増幅したリセット電位と読み出し時の電圧を増幅したリード電位とが第１信号出力線１０２に出力されている期間に、判定入力線１４６における信号電位の変動分と上記しきい値とを比較することによって、「高輝度時」であるか「通常時」であるかを判定し、判定した結果に基づいて、クリップ電圧を第２信号出力線１０４に出力する（又は、出力しない）。

具体的には、判定入力線１４６ａの電圧がクリップトランジスタ１５５ａのしきい値よりも低い場合（高輝度時）は、クリップトランジスタ１５５ａは、ＯＮし、第２信号出力線１０４が保持している輝度信号に代えて、高輝度であることを示す輝度信号（クリップ電圧）を第２信号出力線１０４へ出力する。一方、判定入力線１４６ａの電圧がクリップトランジスタ１５５ａのしきい値よりも高い場合（通常時）は、クリップトランジスタ１５５ａは、ＯＦＦし、その結果、第２信号出力線１０４の輝度信号はそのまま保持される。

図１３は、図１２に示される回路を制御する信号（制御パルス）のタイミングを示す図である。実施の形態１における図３と比べ、判定回路制御パルス１及び２（ＲＳ１及びＲＳ２）に代えて、判定回路制御パルス６及び７（ＲＳ６及びＲＳ７）のタイミングが示されている。

判定回路制御パルス６（ＲＳ６）は、判定容量初期化トランジスタ１５１ａのゲートに供給され、タイミングＡ１において、クリップトランジスタ１５５ａを初期化することで、そのしきい値を設定するための制御信号である。

判定回路制御パルス７（ＲＳ７）は、判定バイアス入力スイッチトランジスタ１４９ａ及び判定待機スイッチトランジスタ１４８ａのゲートに供給され、タイミングＡ２において、判定待機スイッチトランジスタ１４８ａをＯＦＦにするとともに判定バイアス入力スイッチトランジスタ１４９ａをＯＮにすることで、判定バイアス結合容量１４７ａ及び入力スイッチトランジスタ１４４ａを介して判定入力線１４６ａに電源電圧を印加して電位を上昇させ、これにより、クリップトランジスタ１５５ａをＯＦＦにするための制御信号である。

図１４は、この固体撮像装置の主要箇所における信号波形を示す図である。ここでは、画素回路１１０の出力である第１信号出力線１０２ａ、高輝度判定回路１４０ｃ内の判定入力線１４６ａ、第２信号出力線１０４における信号波形が示されている。

タイミングＡ１では、判定回路制御パルス６（ＲＳ６）によって判定容量初期化トランジスタ１５１ａが一時的に導通し、それによって、クリップトランジスタ１５５ａが初期化され、そのしきい値が設定される。

タイミングＡ２では、判定回路制御パルス７（ＲＳ７）が、判定バイアス入力スイッチトランジスタ１４９ａ及び判定待機スイッチトランジスタ１４８ａのゲートに供給され、判定待機スイッチトランジスタ１４８ａがＯＦＦになるとともに判定バイアス入力スイッチトランジスタ１４９ａがＯＮになり、これによって、判定バイアス結合容量１４７ａ及び入力スイッチトランジスタ１４４ａを介して判定入力線１４６ａに電源電圧（ＶＤＤ）が印加され、クリップトランジスタ１５５ａがＯＦＦとなる。

最後に、タイミングＡ３以降では、高輝度時には、第１信号出力線１０２の電位が低下し、クリップトランジスタ１５５ａのしきい値を超えることでクリップトランジスタ１５５ａがＯＮし、その結果、高輝度であることを示す輝度信号（クリップ電圧）が第２信号出力線１０４へ出力される。

以上のように、本実施の形態４の固体撮像装置によれば、判定入力結合容量１４５ａによる容量結合によって第１信号出力線１０２と高輝度判定回路１４０ｃとが接続されているので、第１信号出力線１０２における電圧の変化分（高速に変化する信号成分）だけが高輝度判定回路１４０ｃに入力され、各種ドリフト等の直流的な変動の影響を受けることなく、高速に、高輝度の判定が行われる。よって、バイパストランジスタのサブスレショルド電流のバラツキの影響を受けることなく安定して高輝度が判定されるとともに、駆動周波数や駆動タイミング等を変更した場合であってもバイパストランジスタのゲート電圧を修正してサブスレショルド電流を最適化する必要もなく、さらに、製造上のプロセス変動等によるリード電圧のシフトやサブスレショルド電流のバラツキの影響を受けることなく高輝度の判定が行われ、輝度信号の範囲が狭められてしまうことがない。

また、本実施の形態４では、高輝度判定回路１４０ｃには、実施の形態１における判定増幅器に相当する回路がないので、その分だけ、回路が簡略化、回路規模が縮小化される。

（実施の形態５）
次に、本発明の実施の形態５について説明する。本発明の実施の形態５は、高輝度判定回路を構成する一部の部品の接続関係が異なる点を除いて、実施の形態２と同じである。以下、実施の形態２と異なる点だけを説明する。

実施の形態２では、高輝度判定回路の判定入力回路１４１において、第１信号出力線１０２の電圧信号が判定入力結合容量１４５と判定バイアス結合容量１４７とで容量分圧された電圧信号が判定入力線を介して判定増幅器１４２ａに入力された。本実施の形態では、第１信号出力線１０２の電圧信号が容量分圧されることなく、判定入力線を介して判定増幅器１４２ａに入力される。これにより、第１信号出力線１０２の電圧信号が減衰されて判定入力線１４６に伝達されることが回避される。

図１５は、本実施の形態の固体撮像装置における、１画素に着目した詳細な回路図である。ここには、高輝度判定回路１４０ｄだけが示されている。

この高輝度判定回路１４０ｄは、実施の形態２における高輝度判定回路１４０ａと比べ、判定入力回路１４１における接続関係だけが異なる。つまり、実施の形態２では、判定バイアス結合容量１４７は、判定入力線１４６に接続されていたが、本実施の形態では、判定バイアス結合容量１４７は、入力スイッチトランジスタ１４４と判定入力結合容量１４５ａとの接続点に接続されている。言い換えると、実施の形態２では、第１信号出力線１０２から入力スイッチトランジスタ１４４を通過した電圧信号（リセット電圧とリード電圧との差分信号）は、判定入力結合容量１４５と判定バイアス結合容量１４７とで容量分圧され、分圧後の電圧信号が判定入力線１４６を介して判定増幅器１４２ａに入力されたが、本実施の形態では、第１信号出力線１０２から入力スイッチトランジスタ１４４を通過した電圧信号は、判定バイアス結合容量１４７に直接供給され、判定入力結合容量１４５ａ及び判定入力線１４６を介して判定増幅器１４２ａに入力される。

このような接続関係により、本実施の形態における高輝度判定回路１４０ｄでは、画素回路１１０から第１信号出力線１０２に出力されたリセット電圧とリード電圧との差分信号は、容量分圧によって減衰してしまうことが回避され、判定増幅器１４２ａにおいては、差分信号が減衰しない状態でしきい値と比較されるので、高い判定精度で、高輝度の判定が行われる。

以上、本発明に係る固体撮像装置について、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定されるものではない。たとえば、本発明の主旨を逸脱しない限り、本実施の形態に対して当業者が思いつく範囲内の変更を施した各種変形例や、各実施の形態の一部を任意に組み合わせて実現される変形例も本発明に含まれる。

たとえば、上記実施の形態では、画素回路は、４個のトランジスタで構成されたが、図１６に示されるように、３個のトランジスタで構成されてもよい。図１６に示される画素回路１１０ａは、上記実施の形態におけるラインセレクトトランジスタ１１６を有していない。このような画素回路１１０ａでは、上記実施の形態における画素回路１１０と異なり、画素電源（ＶＰ）を変調することによって、リセットトランジスタ１１３を介して増幅用トランジスタ１１５のゲート電位を選択／非選択することで、ラインセレクト（行選択）をする。このようなラインセレクトの変調が小さい場合には、第１信号出力線１０２におけるダイナミックレンジの確保が困難となり、第１信号出力線１０２に出力される輝度信号（リセット電圧とリード電圧との差分）が減少してしまうことになるが、上記実施の形態における高輝度判定回路であれば、輝度信号の交流成分で高輝度が判定されるので、このような画素回路１１０ａに対しても適用できる。特に、実施の形態５における高輝度判定回路１４０ｄは、第１信号出力線１０２から入力される信号を減衰させることなく高精度で高輝度を判定するので、このような画素回路１１０ａに好適である。

また、上記実施の形態では、画素回路は、１個の受光素子１１１ごとに設けられていたが、図１７に示されるように、複数の受光素子１１１ａ及び１１１ｂごとに設けられてもよい。このような多画素セルである画素回路１１０ｂでは、上記実施の形態における単位画素セルである画素回路１１０と異なり、２個の受光素子１１１ａ及び１１１ｂそれぞれに対応したリードトランジスタ１１４ａ及び１１４ｂが設けられるとともに、それら受光素子１１１ａ及び１１１ｂに共通のコンデンサ１１２、リセットトランジスタ１１３、増幅用トランジスタ１１５及びラインセレクトトランジスタ１１６が設けられている。このような画素回路１１０ｂでは、受光素子数の増加による輝度信号の増加に対して、ＶＤＤ（電源電圧）による第１信号出力線１０２でのダイナミックレンジは変化しないので、ダイナミックレンジと輝度信号との差分であるマージンが減少することになるが、上記実施の形態における高輝度判定回路であれば、輝度信号の交流成分で高輝度が判定されるので、マージンの減少による影響を受けずに確実に通常時／高輝度時の判定が行われる。

また、上記実施の形態では、本発明に係る固体撮像装置について説明したが、本発明は、固体撮像装置に限定されるものではなく、上記実施の形態における固体撮像装置を備える撮像カメラも本発明に含まれる。

図１８は、本発明に係る撮像カメラ１０の構成を示すブロック図である。この撮像カメラ１０は、例えば、静止画を撮影することができる撮像装置であって、ＭＯＳ型撮像素子１１、ＭＯＳ型撮像素子１１に制御信号を供給して駆動及び制御するタイミング制御部９３、ＭＯＳ型撮像素子１１から出力される信号電荷（輝度信号）を処理して画像を生成し、記憶する画像処理部９４、レンズ９５、光学系９６を備え、ＭＯＳ型撮像素子１１において、画素（画素回路１１０）から容量を介して接続された高輝度判定回路を有する点に特徴を有する。なお、ＭＯＳ型撮像素子１１は、遮光装置を通過した光が結像する位置に配置され、受光量に応じた信号電荷（輝度信号）を出力する単位セルが複数個配列されている半導体素子及びその周辺回路であり、上記実施の形態１〜５における固体撮像装置に相当する。

また、本発明は、複数チップの半導体集積回路として実現したり、ワンチップの半導体集積回路としても実現することができる。たとえば、図１８におけるＭＯＳ型撮像素子１１だけ、あるいは、ＭＯＳ型撮像素子１１、タイミング制御部９３及び画像処理部９４をワンチップの半導体集積回路として実現してもよい。

また、本発明は、固体撮像装置、撮像カメラとして実現できるだけでなく、固体撮像装置に各種制御パルスを供給するタイミング制御部９３等による固体撮像装置の駆動方法として実現することもできる。

本発明に係る固体撮像装置は、撮像機器のイメージセンサとして、特に、強い光を入射したときの画像の黒つぶれを解消し、画質の向上が図れるので、家庭用ビデオカメラやデジタルスチルカメラなどの種々の撮像機器のイメージセンサとして有用である。

本発明の実施の形態１〜５における固体撮像装置の全体構成を示す図である。 本発明の実施の形態１における固体撮像装置の詳細な回路図である。 同固体撮像装置における各制御パルスのタイミングを示す図である。 同固体撮像装置の主要箇所における信号波形を示す図である。 同固体撮像装置における各制御パルスのタイミングの別の例を示す図である。 本発明の実施の形態２における固体撮像装置の詳細な回路図である。 同固体撮像装置における各制御パルスのタイミングを示す図である。 同固体撮像装置の主要箇所における信号波形を示す図である。 本発明の実施の形態３における固体撮像装置の詳細な回路図である。 同固体撮像装置における各制御パルスのタイミングを示す図である。 同固体撮像装置の主要箇所における信号波形を示す図である。 本発明の実施の形態４における固体撮像装置の詳細な回路図である。 同固体撮像装置における各制御パルスのタイミングを示す図である。 同固体撮像装置の主要箇所における信号波形を示す図である。 本発明の実施の形態５における固体撮像装置の詳細な回路図である。 画像回路の他の例を示す回路図である。 画像回路のさらに他の例を示す回路図である。 本発明に係る撮像カメラの構成を示すブロック図である。

符号の説明

１ 撮像部
２ 負荷回路
３ 行選択エンコーダ
４ 列選択エンコーダ
５ 信号処理部
６ 出力回路
１０ 撮像カメラ
１１ ＭＯＳ型撮像素子
９３ タイミング制御部
９４ 画像処理部
９５ レンズ
９６ 光学系
１００ 負荷回路
１０１ 負荷用トランジスタ
１０２ 第１信号出力線
１０３ 第３信号出力線
１０４ 第２信号出力線
１１０、１１０ａ、１１０ｂ 画素回路
１１１、１１１ａ 受光素子
１１２ コンデンサ
１１３ リセットトランジスタ
１１４、１１４ａ、１１４ｂ リードトランジスタ
１１５ 増幅用トランジスタ
１１６ ラインセレクトトランジスタ
１２０ 信号処理回路
１２１ サンプリングトランジスタ
１２２ クランプ容量
１２３ サンプリング容量
１２４ クランプトランジスタ
１２５ 反転増幅器
１２６ 反転増幅器リセットトランジスタ
１２７ 反転増幅器結合容量
１４０、１４０ａ〜１４０ｄ 高輝度判定回路
１４１ 判定入力回路
１４２、１４２ａ 判定増幅器
１４３ 判定出力回路
１４４、１４４ａ 入力スイッチトランジスタ
１４５、１４５ａ 判定入力結合容量
１４６、１４６ａ 判定入力線
１４７、１４７ａ 判定バイアス結合容量
１４８、１４８ａ 判定待機スイッチトランジスタ
１４９、１４９ａ 判定バイアス入力スイッチトランジスタ
１５０、１５０ａ スタンバイスイッチトランジスタ
１５１、１５１ａ 判定容量初期化トランジスタ
１５２ 判定出力線
１５３ 出力スイッチトランジスタ
１５４ スタンバイスイッチトランジスタ
１５５、１５５ａ クリップトランジスタ
２００ 共通判定電圧加算回路
２１０ 判定回路

Claims (16)

1. 受光量に応じた輝度信号を出力する固体撮像装置であって、
   光電変換部と前記光電変換部をリセットする第１のリセットトランジスタとを含み、前記第１のリセットトランジスタによる前記光電変換部のリセット完了後且つ前記第１のリセットトランジスタがオフしている期間の出力電圧であるリセット電圧と前記光電変換部での光電変換により生じた電圧であるリード電圧とを出力する画素回路が１次元又は２次元状に複数個配列されてなる撮像部と、
   複数の前記画素回路に接続され、前記画素回路から出力された前記リセット電圧と前記リード電圧とを伝送するための第１信号出力線と、
   前記第１信号出力線に接続され、前記第１信号出力線に出力された前記リセット電圧と前記リード電圧とに基づいて、前記光電変換部での受光量に応じた輝度信号を第２信号出力線から出力する信号出力回路と、
   前記第１信号出力線と第１容量によって結合された高輝度判定回路とを備え、
   前記高輝度判定回路は、前記高輝度判定回路をリセットする第２のリセットトランジスタがオンしている期間の前記第１信号出力線の出力電圧である初期リセット電位を基準とした前記第１信号出力線における電圧信号の交流成分に基づいて、前記光電変換部への入射光が高輝度であるか否かを判定し、高輝度であると判定した場合に、前記第２信号出力線に、高輝度であることを示す輝度信号を出力する
   ことを特徴とする固体撮像装置。
2. 前記第１のリセットトランジスタがオフするのと同時または前記第１のリセットトランジスタがオフした後に、前記第２のリセットトランジスタがオフする
   ことを特徴とする請求項１に記載の固体撮像装置。
3. 前記高輝度判定回路は、前記第１信号出力線と接続された前記第１容量と、前記第１容量を介して前記第１信号出力線と接続された判定増幅器とを備え、
   前記判定増幅器は、前記第１信号出力線における電圧信号の交流成分に基づいて、前記光電変換部への入射光が高輝度であるか否かを判定する
   ことを特徴とする請求項１に記載の固体撮像装置。
4. 前記高輝度判定回路では、前記判定増幅器の入力と前記第２のリセットトランジスタの出力とが接続されている
   ことを特徴とする請求項３に記載の固体撮像装置。
5. 前記判定増幅器は、前記第１信号出力線における電圧信号の交流成分と、判定基準電圧とに基づいて、前記光電変換部への前記入射光が高輝度であるか否かを判定する
   ことを特徴とする請求項３に記載の固体撮像装置。
6. 前記高輝度判定回路はさらに、前記第一容量によって結合された前記第１信号出力線における電圧信号の交流成分と、前記判定基準電圧とを加算する加算回路を含み、
   前記判定増幅器は、前記加算回路により加算された後の電圧信号の交流成分に基づいて、前記入射光が高輝度であるか否かを判定する
   ことを特徴とする請求項５に記載の固体撮像装置。
7. 前記高輝度判定回路は、前記加算回路により加算された後の電圧と一定のしきい値とを比較することによって前記入射光が高輝度であるか否かを判定する
   ことを特徴とする請求項６に記載の固体撮像装置。
8. 前記第１容量の一端は、前記第１信号出力線と接続され、
   前記第１容量の他端は、前記判定増幅器と接続される
   ことを特徴とする請求項３に記載の固体撮像装置。
9. 前記高輝度判定回路は、
   前記第１容量に接続された信号線である判定入力線と、
   一端が前記判定入力線に接続された第２容量と、
   前記第２容量の他端に接続され、前記第２容量を介して前記判定入力線に一定電圧を加算するバイアス電圧加算回路とを含み、
   前記一定電圧が加算された後の前記判定入力線における電圧と一定のしきい値とを比較することによって前記入射光が高輝度であるか否かを判定する
   ことを特徴とする請求項１に記載の固体撮像装置。
10. 前記高輝度判定回路は、
    前記第１容量の一端に接続された信号線である判定入力線と、
    一端が前記第１容量の他端に接続された第２容量と、
    前記第２容量の他端に接続され、前記第２容量を介して前記判定入力線に一定電圧を加算するバイアス電圧加算回路とを含み、
    前記一定電圧が加算された後の前記判定入力線における電圧と一定のしきい値とを比較することによって前記入射光が高輝度であるか否かを判定する
    ことを特徴とする請求項１に記載の固体撮像装置。
11. 前記高輝度判定回路は、前記第１容量と接続され、前記第１容量を介した前記第１信号出力線と当該高輝度判定回路との接続を切断及び導通させる第１スイッチトランジスタを含む
    ことを特徴とする請求項１に記載の固体撮像装置。
12. 前記第１スイッチトランジスタは、前記加算回路により加算された後の電圧と一定のしきい値とを比較するときに、前記接続を切断する
    ことを特徴とする請求項１１に記載の固体撮像装置。
13. 前記高輝度判定回路は、前記入射光が高輝度であると判定した場合に、前記信号出力回路から前記第２信号出力線に出力される輝度信号の極性と同極性であって、かつ、前記輝度信号の飽和以上の電圧を前記第２信号出力線に出力する判定出力回路を含む
    ことを特徴とする請求項１に記載の固体撮像装置。
14. 前記高輝度判定回路は、
    前記第１容量に接続された信号線である判定入力線と、
    前記判定入力線における電圧信号に基づいて、前記入射光が高輝度であるか否かを判定するとともに、前記判定入力線における電圧信号を増幅し、増幅して得られた信号を前記判定の結果を示す信号として出力する判定増幅回路とを含む
    ことを特徴とする請求項１に記載の固体撮像装置。
15. 前記高輝度判定回路は、前記光電変換部が前記第１信号出力線に前記リセット電圧を出力してから前記リード電圧を出力するまでの期間を含む期間、又は、前記リード電圧を出力してから次の撮像期間におけるリセット電圧を出力するまでの期間に、前記入射光が高輝度であるか否かを判定するとともに、高輝度であることを示す前記輝度信号を出力する
    ことを特徴とする請求項１に記載の固体撮像装置。
16. 請求項１記載の固体撮像装置を備えるカメラ。

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