JP2007150819A - 撮像素子および該撮像素子を搭載した撮像装置 - Google Patents

Abstract

【課題】フォトダイオードの飽和電荷以上の電荷も信号電荷として利用することで、真の意味でダイナミックレンジを拡大し、もって高画質化に寄与することのできる撮像素子および該撮像素子を搭載した撮像装置を提供すること。
【解決手段】フォトダイオードの飽和電荷以上の電荷を、転送手段を介して蓄積手段に蓄積することにより、フォトダイオードの飽和電荷以上の電荷も信号電荷として利用することができるので、真の意味でダイナミックレンジを拡大することができ、かつ、リセットノイズを完全に除去できるために高画質化に寄与することのできる撮像素子および該撮像素子を搭載した撮像装置を提供することができる。
【選択図】図４

Description

本発明は、撮像素子および該撮像素子を搭載した撮像装置に関し、特に、広いダイナミックレンジを持つ撮像素子および該撮像素子を搭載した撮像装置に関する。

近年の撮像素子の小型化、高画素化の流れから、撮像素子の画素サイズは小型化の一途をたどり、それに伴い、撮像素子の撮像可能な照度範囲（所謂ダイナミックレンジ）が狭くなり、画質に大きな影響を与えている。そのため、撮像素子の広ダイナミックレンジ化が望まれている。

この課題を解決するために、露光量の異なる画面を複数回撮影し、それら複数の画面から適正レベルの画面部分を選択して画像合成することにより、個々の画面よりも広いダイナミックレンジの画像を合成する撮像装置（例えば、特許文献１参照）や、撮像素子の光電変換信号電荷を信号電圧に変換する電荷電圧変換部を持ち、電荷電圧変換部は異なる電圧依存性を有する複数の容量からなり、ダイナミックレンジが可変であるような撮像素子（例えば、特許文献２参照）等が提案されている。

また、フォトダイオードの信号電荷を保持する容量を複数個備え、１回の露光で得られた信号電荷を、容量値を切り換えて複数回読み出し、読み出した信号を加算することでダイナミックレンジを拡大する方法が提案されている（例えば、特許文献３参照）。
特公平７−９７８４１号公報 特開２０００−１６５７５５号公報 特開２０００−１６５７５４号公報

しかしながら、特許文献１で提案された撮像装置は、複数回の撮影が必要なために撮影時間がかかり、かつ、露光量の異なる画像から画像処理で画像を合成することから、単純な画像合成では合成の繋ぎ目が不自然で非常に見にくい画像になるため、非常に複雑な画像合成が必須で処理時間が長くなり、処理時間を短縮するためには高価な処理チップを用いる必要があり、コストが非常に高くなる。

また、特許文献２で提案された撮像素子は、素子構造が複雑で製造コストが高くなり、また容量の電圧依存性の制御も難しく、素子毎の調整等が必要でコストアップの要因となる。

また、特許文献３で提案された方法は、一見ダイナミックレンジが拡大されたかのように見えるが、実際は、フォトダイオードの飽和電荷以上の電荷は信号として取り出せず、つまり、フォトダイオードによってダイナミックレンジが律速されており、単に見かけ上ダイナミックレンジが拡大したように見えているにすぎない。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、フォトダイオードの飽和電荷以上の電荷も信号電荷として利用することで、真の意味でダイナミックレンジを拡大し、もって高画質化に寄与することのできる撮像素子および該撮像素子を搭載した撮像装置を提供することを目的とする。

本発明の目的は、下記構成により達成することができる。

１． 複数の画素を有する撮像素子において、
前記画素は、
被写体からの光を光電変換する光電変換手段と、
前記光電変換手段により光電変換された光電荷を転送する第１の転送手段と、
前記第１の転送手段により転送された光電荷を保持する電荷保持手段と、
前記光電変換手段により光電変換された光電荷を転送する第２の転送手段と、
前記第２の転送手段により転送された光電荷を蓄積する蓄積手段とを備えたことを特徴とする撮像素子。

２． 前記蓄積手段は、前記光電変換手段と略同一の濃度プロファイル構造を持つことを特徴とする１に記載の撮像素子。

３． 前記蓄積手段は、前記光電変換手段と略同一の空乏時のポテンシャルを持つことを特徴とする１に記載の撮像素子。

４． 前記蓄積手段を遮光する遮光手段を備えたことを特徴とする１乃至３の何れか１項に記載の撮像素子。

５． 前記第２の転送手段に印加する電位を制御する転送制御手段を備えたことを特徴とする１乃至４の何れか１項に記載の撮像素子。

６． 前記撮像素子の撮像動作時の前記第２の転送手段のポテンシャル障壁を、前記第１の転送手段のポテンシャル障壁よりも低く設定する転送制御手段を備えたことを特徴とする１乃至４の何れか１項に記載の撮像素子。

７． 前記第２の転送手段のオン時のポテンシャル障壁を、前記光電変換手段および前記蓄積手段の空乏化時のポテンシャル障壁と略等しく設定する転送制御手段を備えたことを特徴とする１乃至４の何れか１項に記載の撮像素子。

８． １乃至７の何れか１項に記載の撮像素子を搭載したことを特徴とする撮像装置。

本発明によれば、フォトダイオードの飽和電荷以上の電荷を、転送手段を介して蓄積手段に蓄積することにより、フォトダイオードの飽和電荷以上の電荷も信号電荷として利用することができるので、真の意味でダイナミックレンジを拡大することができ、かつ、リセットノイズを完全に除去できるために高画質化に寄与することのできる撮像素子および該撮像素子を搭載した撮像装置を提供することができる。

以下、図面に基づき本発明の実施の形態を説明する。

まず最初に、本発明に係る撮像装置の一例であるデジタルカメラについて、図１および図２を用いて説明する。

図１は、デジタルカメラの外観模式図で、図１（ａ）は正面図、図１（ｂ）は背面図である。

図１（ａ）において、デジタルカメラ１のボディ１０の正面には、交換レンズ２０が取り付けれられている。ボディ１０の上面には、撮像のための操作部材であるレリーズボタン１０１が設置されており、ボディ１０の内部でレリーズボタン１０１の下部には、レリーズボタン１０１の押し込みの１段目で動作するＡＦスイッチ１０１ａと、レリーズボタンの押し込みの２段目で動作するレリーズスイッチ１０１ｂを構成する２段スイッチが配置されている。また、ボディ１０の上部には、フラッシュ１０２が内蔵され、デジタルカメラ１の動作モードを設定するモード設定ダイアル１１２が配置されている。

図１（ｂ）で、ボディ１０の背面には、デジタルカメラ１の電源をオン／オフするための電源スイッチ１１１、カメラの各種設定条件を変更する変更ダイアル１１３、上下左右と中央の５つのスイッチから成り、デジタルカメラ１の各動作モードでの各種設定を行うためのジョグダイアル１１５、ファインダ接眼レンズ１２１ａ、記録された画像や各種情報等を表示するための画像表示手段１３１が配置されている。

図２は、図１に示したデジタルカメラ１の回路の一例を示すブロック図である。図中、図１と同じ部分には同じ番号を付与した。

デジタルカメラ１の制御を行うカメラ制御手段１５０は、ＣＰＵ（中央処理装置）１５１、ワークメモリ１５２、記憶部１５３、データメモリ１５４等から構成され、記憶部１５３に記憶されているプログラムをワークメモリ１５２に読み出し、当該プログラムに従ってデジタルカメラ１の各部を集中制御する。

また、カメラ制御手段１５０は、電源スイッチ１１１、モード設定ダイアル１１２、変更ダイアル１１３、ジョグダイアル１１５、ＡＦスイッチ１０１ａ、レリーズスイッチ１０１ｂ等からの入力を受信し、光学ファインダ１２１上の測光モジュール１２２と交信することで測光動作を制御し、ＡＦモジュール１４４と交信することでＡＦ動作を制御し、ミラー駆動手段１４３を介してレフレックスミラー１４１及びサブミラー１４２を駆動し、シャッタ駆動手段１４６を介してシャッタ１４５を制御し、フラッシュ１０２を制御し、撮像制御手段１６１と交信することで撮像動作を制御すると共に、撮像された画像や各種情報を画像表示手段１３１に表示し、インファインダ表示手段１３２に各種情報を表示する。

また、カメラ制御手段１５０は、外部インターフェース（Ｉ／Ｆ）１８５を介して、デジタルカメラ１の外部に設けられたパーソナルコンピュータや携帯情報端末と、撮像された画像データやデジタルカメラ１の制御信号等をやり取りする。

さらに、カメラ制御手段１５０は、ボディ１０と交換レンズ２０の間の交信を行う、マウント（ボディ側）１７１上に設けられたＢＬ交信手段（ボディ側）１７２と、マウント（レンズ側）２７１上に設けられたＢＬ交信手段（レンズ側）２７２を介して、交換レンズ２０のレンズインターフェース２５１経由で、レンズ２１１のフォーカスとズームの制御を行うレンズ制御手段２４１、絞り２２１の制御を行う絞り制御手段２２２、交換レンズ２０の固有情報を格納しているレンズ情報記憶手段２３１と交信を行うことで、交換レンズ２０全体を制御する。

交換レンズ２０のレンズ２１１によって撮像素子１６２の図３で後述する撮像面１６２ａ上に結像される画像は、撮像素子１６２で光電変換された後、アンプ１６３で増幅され、アナログ／デジタル（Ａ／Ｄ）変換手段１６４でデジタルデータに変換され、画像処理手段１６５で既定の画像処理を施したデジタル撮像データに変換され、一旦画像メモリ１８１に記録された後、最終的にはメモリカード１８２に記録される。これらの動作は、カメラ制御手段１５０の制御下で、撮像制御手段１６１によって制御される。撮像制御手段１６１、アンプ１６３、Ａ／Ｄ変換器１６４および画像処理部１６５は、撮像回路１６０を構成する。

次に、本発明における撮像素子の実施の形態と、その撮像動作について、図３乃至図７を用いて説明する。

図３は、撮像素子１６２を構成する各構成要素の配置の一例を示す模式図である。

撮像素子１６２は、撮像面１６２ａ上に、水平と垂直に配列された複数の画素１６２ｂと、垂直走査回路１６２ｃ、サンプルホールド回路１６２ｄ、出力回路１６２ｅ、水平走査回路１６２ｆ、出力アンプ１６２ｇ、タイミングジェネレータ１６２ｈ等の構成要素を備え、画素１６２ｂの各水平行毎の並びと垂直走査回路１６２ｃとは行選択線１６２ｉで結ばれ、画素１６２ｂの各垂直列毎の並びとサンプルホールド回路１６２ｄとは垂直信号線１６２ｊで結ばれている。

撮像素子１６２の撮像動作は、撮像制御手段１６１からの撮像制御信号１６１ａに従って、タイミングジェネレータ１６２ｈによって制御され、撮像素子１６２の出力である撮像データ１６２ｋは、アンプ１６３に入力される。

図４は、撮像素子１６２を構成する画素１６２ｂの回路の第１の実施の形態を示す回路図である。画素１６２ｂは、埋め込み型フォトダイオードＰＤ（以下、ＰＤという）、ＰＤに蓄積可能な電荷以上の信号電荷を蓄積する蓄積手段ＯＤ（以下、ＯＤという）、ＮチャンネルＭＯＳＦＥＴ（金属酸化膜半導体電界効果トランジスタ：以下、トランジスタという）Ｑ１乃至Ｑ５から構成されている。トランジスタＱ１のドレインとトランジスタＱ２のソースの接続部は、フローティングディフュージョンＦＤ（以下、ＦＤという）で構成されている。

リセット電位ＲＳＢ、リセット信号ＲＸ、転送信号ＴＸ１およびＴＸ２、読み出し信号ＳＸは、各トランジスタに対する信号（電位）を示し、ＶＤＤは電源、ＧＮＤは接地を示している。

ＰＤは本発明における光電変換手段として機能し、被写体からの入射光量に応じた光電流Ｉｐｄを発生し、光電流Ｉｐｄは、信号電荷ＱｐｄとしてＰＤの寄生容量Ｃｐｄに蓄積される。ＰＤは、ノイズ低減のために埋め込み型構造となっており、光電変換された光電流Ｉｐｄを直接取り出せないため、本発明における第１の転送手段として機能する転送ゲートと呼ばれるトランジスタＱ１（以下、ＴＧ１と言う）を介してＦＤに接続されている。

ＦＤは、本発明における電荷保持手段として機能し、ＰＤに蓄積された信号電荷を完全転送して読み出すための容量性の保持読み出し部であり、その容量値をＣｆｄとする。

トランジスタＱ２はリセットゲートと呼ばれ（以下、ＲＧと言う）、オンすることによってＦＤを既定のリセット電位ＲＳＢにリセットする。

トランジスタＱ３は、本発明における第２の転送手段として機能する転送ゲート（以下、ＴＧ２と言う）であり、そのソースがＴＧ１とＰＤの接続部に接続され、そのドレインがＯＤの一端に接続されている。

ＯＤは、本発明における蓄積手段として機能し、ＰＤと略同一の濃度プロファイル構造もしくはＰＤと略同一の空乏時のポテンシャルを持つ拡散層であり、その一端はＴＧ２のドレインに接続され、他端はＧＮＤに接続されている。本例では、ＰＤと同一の工程で作成され、同一の構造を持つフォトダイオードで構成されるものとする。

このような構成とすることによって、ＰＤの飽和電荷以上の電荷を、ＴＧ２を介してＯＤに蓄積でき、信号電荷として利用することができるので、撮像素子のダイナミックレンジを拡大することができる。

上述したように、ＯＤはＰＤと略同一の構造もしくは特性を持つことから、ＰＤと同様に光に感度を持つと考えられるため、画素１６２ｂ上のメタル層あるいはカラーフィルタ層等により遮光されていることが望ましい。

トランジスタＱ４は、ソースフォロワ増幅回路を構成するものであり、ゲートに接続されているＦＤの電位に対する電流増幅を行うことで、出力インピーダンスを下げる働きをする。

トランジスタＱ５は、信号読み出し用のトランジスタであり、ゲートは、行選択線１６２ｉに接続されており、垂直走査回路１６２ｃによって印加される読み出し信号ＳＸに応じてオン、オフされるスイッチとして動作する。トランジスタＱ５のソースは、垂直信号線１６２ｊに接続されており、トランジスタＱ５がオンされると、トランジスタＱ４で低インピーダンス化されたＦＤの電位が、画素出力ＶＯＵＴとして、垂直信号線１６２ｊへ導出される。

なお、トランジスタＱ１からＱ５は、ＮチャンネルＭＯＳＦＥＴとして説明したが、ＰチャンネルＭＯＳＦＥＴで回路を構成することも可能である。

図５は、撮像素子を構成するサンプルホールド回路１６２ｄの１例を示す回路図である。図５に示した回路は画素の垂直１列分であり、水平画素数分同じ回路が並べられてサンプルホールド回路１６２ｄが構成される。

各画素１６２ｂの画素出力ＶＯＵＴは、垂直信号線１６２ｊに出力される。垂直信号線１６２ｊは、定電流駆動型として例示している。画素出力ＶＯＵＴは、２つのサンプルホールドスイッチ（Ｓｓｈ１、Ｓｓｈ２）を介して、各タイミングで２つのサンプルホールド容量（Ｃｓｈ１、Ｃｓｈ２）に接続されて、２つの信号（Ｖ１、Ｖ２）として保持される。

２つのサンプルホールド容量（Ｃｓｈ１、Ｃｓｈ２）に保持された２つの信号（Ｖ１、Ｖ２）は、２つのバッファアンプ（ＢＡ１、ＢＡ２）と２つの列選択スイッチ（Ｓｃ１、Ｓｃ２）を介して出力され、差動アンプＤ−ＡＭＰに入力されて差分がとられ、出力アンプ１６２ｇを介して、撮像素子１６２から撮像データ１６２ｋとして出力される。

２つのサンプルホールドスイッチ（Ｓｓｈ１、Ｓｓｈ２）は、各々制御信号（ＳＨＮ、ＳＨＳ）により制御され、２つの列選択スイッチ（Ｓｃ１、Ｓｃ２）は、列選択信号ＨＳＲにより制御される。各制御動作については、図６で説明する。

図６は、図４に示した画素から成る撮像素子１６２の撮像時の動作を示すタイミングチャートであり、図６（ａ）は全画素同時に行われる撮像動作のタイミングチャート、図６（ｂ）は水平各行毎に順次行われるノイズデータと撮像データとの垂直および水平転送動作のタイミングチャートである。本実施の形態では、撮像素子１６２の露光量制御は、絞り２２１とシャッタ１４５で行われる。

図６（ａ）において、シャッタ１４５が閉じられた状態で、タイミングＴ１（初期リセット）で、リセット信号ＲＸ、転送信号ＴＸ１およびＴＸ２が高電位（Ｈ）にされることで、ＲＧ、ＴＧ１およびＴＧ２がオンされ、ＦＤが既定のリセット電位ＲＳＢにリセット（初期化）されるとともに、ＰＤの残存電荷が排出されてリセットされる。図７で、この状態を後述する。

タイミングＴ１の最後でリセット信号ＲＸと転送信号ＴＸ１が低電位（Ｌ）に戻されることでＲＧとＴＧ１がオフされ、ＴＸ２が中間電位ＶＭに設定されることで撮像が可能となる。この時、ＦＤにはリセットノイズによる電荷Ｑ（ＮＯＩＳＥ）が発生する。図８で、この状態を後述する。

以後、撮像による信号成分をＳ、ノイズ成分をＮで示し、図１７で後述する光電変換特性の入射光量の少ない側の線形特性（以下、Ｌｎ特性と呼ぶ）部分をＬｎ、入射光量の多い側の線形特性（以下、Ｋｎｅｅ（膝）特性と呼ぶ）をＫｎｅｅで示す。例えば（Ｓ−Ｋｎｅｅ）は、Ｋｎｅｅ特性部の信号成分という意味である。

タイミングＴ１終了後、絞り２２１が測光モジュール１２２による測光結果から決定される所定の絞り値に絞り込まれ、タイミングＴ２（撮像）の初めでシャッタ１４５が開かれて撮像が開始され、被写体からの光がＰＤで光電変換されて、ＰＤに信号電荷Ｑ（Ｓ−Ｌｎ）が蓄積される。図９で、この状態を後述する。

タイミングＴ２で、入射光量が多く、信号電荷Ｑ（Ｓ−Ｌｎ）がＰＤに蓄積可能な最大電荷量Ｑｐｄｍａｘを超えると、信号電荷はオーバーフローしてＯＤに流れ込み、オーバーフロー電荷Ｑ（Ｓ−Ｋｎｅｅ）として蓄積される。図１０で、この状態を後述する。

ここで、転送信号ＴＸ２の中間電位ＶＭの設定を変える、すなわちＴＧ２のポテンシャルを変えることで、ＰＤに蓄積可能な最大電荷量Ｑｐｄｍａｘを変えることが可能である。これは、上述したＬｎ特性とＫｎｅｅ特性の切り替わり点（以下、変曲点と言う）を変更することであり、それによって撮像素子１６２のダイナミックレンジを可変にすることができる。ここに、中間電位ＶＭの設定は、本発明における転送制御手段として機能する撮像制御手段１６１およびタイミングジェネレータ１６２ｈによって制御される。

タイミングＴ２の終わりでシャッタ１４５が閉じられることで撮像が終了され、転送信号ＴＸ２が低電位（Ｌ）に設定されてＴＧ２がオフされる。その後、絞り２２１が開放に戻される。以上が全画素同時に行われる撮像動作である。

タイミングＴ２で、信号電荷Ｑ（Ｓ−Ｌｎ）がＰＤのみに蓄積される場合は、通常の撮像素子の動作と同じであるので、以下では、入射光量が多いために信号電荷がオーバーフローしてＯＤに流れ込み、オーバーフロー電荷Ｑ（Ｓ−Ｋｎｅｅ）として蓄積される場合についてのみ説明する。ＯＤに電荷が蓄積されるのは入射光量が多い場合であり、オーバーフロー電荷Ｑ（Ｓ−Ｋｎｅｅ）も多いと考えられるので、ＯＤの容量はＰＤの容量と同等あるいはそれ以上であることが望ましい。

図６（ｂ）において、タイミングＴ３（ノイズ読み出し）で、水平ｎ行目の読み出し信号ＳＸ（ＳＸｎ）とサンプルホールド回路１６２ｄの制御信号（ＳＨＮ）が高電位（Ｈ）にされることで、ＦＤに残存するリセットノイズによる電荷Ｑ（ＮＯＩＳＥ）がノイズ電位ＶＮとしてトランジスタＱ４およびＱ５を介して垂直信号線１６２ｊに導出され、サンプルホールドスイッチＳｓｈ１を介して、ノイズ電位Ｖ１としてサンプルホールド容量Ｃｓｈ１に保持される。図１１で、この状態を後述する。

タイミングＴ４（Ｌｎ部信号転送）で、水平ｎ行目の転送信号ＴＸ１（ＴＸ１ｎ）が高電位（Ｈ）にされることで水平ｎ行目の全画素のＴＧ１がオンされ、ＰＤに蓄積された信号電荷Ｑ（Ｓ−Ｌｎ）がＦＤに完全転送され、ＦＤに残存するリセットノイズによる電荷Ｑ（ＮＯＩＳＥ）に重畳されて保持される（Ｑ（Ｓ−Ｌｎ）＋Ｑ（ＮＯＩＳＥ））。図１２で、この状態を後述する。

タイミングＴ５（Ｋｎｅｅ部信号分配）で、水平ｎ行目の転送信号ＴＸ２（ＴＸ２ｎ）が高電位（Ｈ）にされることで水平ｎ行目の全画素のＴＧ２がオンされ、ＯＤに蓄積されたオーバーフロー電荷Ｑ（Ｓ−Ｋｎｅｅ）が、ＰＤとＯＤの容量比に比例してＰＤとＯＤに分配されて保持される。ＰＤおよびＯＤに保持されたオーバーフロー電荷をＱ（Ｓ−Ｋｎｅｅ１）およびＱ（Ｓ−Ｋｎｅｅ２）とすると、
Ｑ（Ｓ−Ｋｎｅｅ１）＝Ｑ（Ｓ−Ｋｎｅｅ）・Ｃｐｄ／（Ｃｐｄ＋Ｃｏｄ）
Ｑ（Ｓ−Ｋｎｅｅ２）＝Ｑ（Ｓ−Ｋｎｅｅ）・Ｃｏｄ／（Ｃｐｄ＋Ｃｏｄ）
となる。図１３および（ｈ）で、この状態を後述する。

タイミングＴ６（Ｋｎｅｅ部信号転送）で、水平ｎ行目の転送信号ＴＸ１（ＴＸ１ｎ）が高電位（Ｈ）にされることでＴＧ１がオンされ、ＰＤに保持されたオーバーフロー電荷Ｑ（Ｓ−Ｋｎｅｅ１）がＦＤに完全転送されて保持される。図１５で、この状態を後述する。

タイミングＴ７（信号読み出し）で、水平ｎ行目の読み出し信号ＳＸ（ＳＸｎ）およびサンプルホールド回路１６２ｄの制御信号（ＳＨＳ）が高電位（Ｈ）にされることで、ＦＤに保持された電荷（Ｑ（Ｓ−Ｋｎｅｅ１）＋Ｑ（Ｓ−Ｌｎ）＋Ｑ（ＮＯＩＳＥ））が信号電位ＶＳＮとしてトランジスタＱ４およびＱ５を介して垂直信号線１６２ｊに導出され、サンプルホールドスイッチＳｓｈ２を介して、信号電位Ｖ２としてサンプルホールド容量Ｃｓｈ２に保持される。ここに、
ＶＳＮ＝（Ｑ（Ｓ−Ｋｎｅｅ１）＋Ｑ（Ｓ−Ｌｎ）＋Ｑ（ＮＯＩＳＥ））／Ｃｆｄ
＝（Ｑ（Ｓ−Ｋｎｅｅ）・Ｃｐｄ／（Ｃｐｄ＋Ｃｏｄ）＋Ｑ（Ｓ−Ｌｎ）＋Ｑ（ＮＯＩＳＥ））／Ｃｆｄ
である。図１６で、この状態を後述する。

タイミングＴ８（撮像データ出力）で、水平ｎ行目の各列の列選択信号ＨＳＲが高電位（Ｈ）にされることで２つの列選択スイッチ（Ｓｃ１、Ｓｃ２）がオンされ、２つのサンプルホールド容量（Ｃｓｈ１、Ｃｓｈ２）に保持された２つの信号（Ｖ１、Ｖ２）が後段に出力され、差動アンプＤ−ＡＭＰに入力されて差分がとられる。所謂ノイズ除去のためのＣＤＳ（相関二重サンプリング）動作である。

よって、差動アンプＤ−ＡＭＰの出力ＶＳは、以下の（式１）で表される。

ＶＳ＝Ｖ２−Ｖ１
＝ＶＳＮ−Ｖｎ
＝（Ｑ（Ｓ−Ｋｎｅｅ）・Ｃｐｄ／（Ｃｐｄ＋Ｃｏｄ）＋Ｑ（Ｓ−Ｌｎ）＋Ｑ（ＮＯＩＳＥ））／Ｃｆｄ−Ｑ（ＮＯＩＳＥ）／Ｃｆｄ
＝（Ｑ（Ｓ−Ｋｎｅｅ）・Ｃｐｄ／（Ｃｐｄ＋Ｃｏｄ）＋Ｑ（Ｓ−Ｌｎ））／Ｃｆｄ ・・・（式１）
つまり、リセットノイズによる電荷Ｑ（ＮＯＩＳＥ）が完全に除去されて、ＰＤに蓄積された信号電荷Ｑ（Ｓ−Ｌｎ）とオーバーフロー電荷Ｑ（Ｓ−Ｋｎｅｅ）のみからなる撮像データとなる。

さらに、ＯＤの容量Ｃｏｄを例えばＰＤの容量Ｃｐｄの３倍（Ｃｏｄ＝３・Ｃｐｄ）とすると、
ＶＳ＝（Ｑ（Ｓ−Ｋｎｅｅ）／４＋Ｑ（Ｓ−Ｌｎ））／Ｃｆｄ ・・・（式２）
となって、オーバーフロー電荷Ｑ（Ｓ−Ｋｎｅｅ）による出力は、ＰＤに蓄積された信号電荷Ｑ（Ｓ−Ｌｎ）による出力の１／４の傾きを持つことが分かる。

これによって、ＰＤの飽和電荷以上の信号電荷をＰＤと並列に配置された容量性蓄積手段に蓄積して信号電荷として利用することができるので、撮像素子のダイナミックレンジを拡大することができる。

次に、図６に示した各タイミングでの画素１６２ｂの各部の動作を、図７から図１６のポテンシャル図で説明する。図７から図１６は、図６のタイミングＴ１からＴ７の各タイミングでの、フォトダイオードＰＤ、転送ゲートＴＧ１およびＴＧ２、フローティングディフュージョンＦＤ、リセットゲートＲＧ、リセット電位ＲＳＢの各部のポテンシャルを示す模式図である。

図７は、図６（ａ）のタイミングＴ１の状態を示し、リセット信号ＲＸ、転送信号ＴＸ１およびＴＸ２が高電位（Ｈ）にされることで、ＲＧ、ＴＧ１およびＴＧ２がオンされて、ＦＤがリセット電位ＲＳＢにリセット（初期化）されるとともに、ＯＤおよびＰＤの残存電荷がＦＤに完全転送されて排出され、リセットされる。ＯＤのリセットはＰＤを介して行うため、ＯＤを完全にリセットするためには、ＴＧ２がオンされたときのＴＧ２のポテンシャル障壁が、ＰＤおよびＯＤの空乏化時のポテンシャルに対して略同等に設定されることが必要である。

ＴＧ２がオンされたときのＴＧ２のポテンシャル障壁が、ＰＤおよびＯＤの空乏化時のポテンシャルよりも低くなる場合には、ＴＧ１をオンしたままで（つまり、ＰＤの電荷をＦＤに完全転送できる状態のままで）ＴＧ２のオン／オフを複数回繰り返すことで、ＯＤの残存電荷をほぼ無視できる程度にまで排出することが可能である。

埋め込み型フォトダイオードであるＰＤのポテンシャルは、ＰＤとその周辺の不純物の濃度プロファイル等から決まる。ＰＤのポテンシャルは、完全転送を実現するために、転送信号ＴＸ１が高電位（Ｈ）に設定された時の転送ゲートＴＧ１のポテンシャル＜ＰＤの空乏層化された状態でのポテンシャルとなるように設定される。ＯＤについても同様である。

ＯＤ、ＴＧ１およびＴＧ２、ＲＧ、トランジスタＱ４等、ＰＤ以外の各素子は、入射光による誤動作を防止するために、遮光手段１６２ｓで遮光されることが望ましい。遮光手段１６２ｓは、図８〜（ｊ）では図示を省略する。

図８はタイミングＴ１直後の状態で、転送信号ＴＸ１が低電位（Ｌ）、ＴＸ２が中間電位ＶＭに設定されているため、ＴＧ２のポテンシャル障壁がＲＧおよびＴＧ１のポテンシャル障壁よりも少し低い状態になっている。また、ＦＤにはリセットノイズによる電荷Ｑ（ＮＯＩＳＥ）が発生している。

図９は、図６（ａ）のタイミングＴ２の状態を示し、被写体からの光がＰＤで光電変換されて、ＰＤに信号電荷Ｑ（Ｓ−Ｌｎ）が蓄積されている。

図１０は、図６（ａ）のタイミングＴ２の状態を示し、特に入射光量が多い場合を示す。ＰＤには信号電荷Ｑ（Ｓ−Ｌｎ）が、その蓄積可能な最大電荷量Ｑｐｄｍａｘまで蓄積されており、オーバーフロー電荷Ｑ（Ｓ−Ｋｎｅｅ）がＯＤに蓄積されている。

図１１は、図６（ｂ）のタイミングＴ３の状態を示し、ＦＤに残存するリセットノイズによる電荷Ｑ（ＮＯＩＳＥ）が、ノイズ電位ＶＮ（＝Ｑ（ＮＯＩＳＥ）／Ｃｆｄ）として出力される。

図１２は、図６（ｂ）のタイミングＴ４の状態を示し、転送信号ＴＸ１が高電位（Ｈ）にされることでＴＧ１がオンされ、ＰＤに保持されていた信号電荷Ｑ（Ｓ−Ｌｎ）がＦＤに完全転送され、ＦＤに残存するリセットノイズによる電荷Ｑ（ＮＯＩＳＥ）に重畳されて保持されている。
図１３は、図６（ｂ）のタイミングＴ５の状態を示し、転送信号ＴＸ２が高電位（Ｈ）にされることでＴＧ２がオンされてＰＤとＯＤが接続され、ＯＤに蓄積されたオーバーフロー電荷Ｑ（Ｓ−Ｋｎｅｅ）が、ＰＤとＯＤの容量比に比例してＰＤとＯＤに分配されている。この時のＴＧ２がオンされたときのＴＧ２のポテンシャル障壁は、ＰＤおよびＯＤの空乏化時のポテンシャルに対して略同等あるいは若干低い状態に設定されることが望ましい。

図１４は、図６（ｂ）のタイミングＴ５の直後の状態を示し、転送信号ＴＸ２が低電位（Ｌ）に戻されることでＴＧ２が閉じられ、ＰＤとＯＤに分配されたオーバーフロー電荷Ｑ（Ｓ−Ｋｎｅｅ）が保持されている。

図１５は、図６（ｂ）のタイミングＴ６の状態を示し、ＴＧ１がオンされており、ＰＤに保持されていたオーバーフロー電荷Ｑ（Ｓ−Ｋｎｅｅ１）が信号電荷Ｑ（Ｓ−Ｌｎ）とリセットノイズによる電荷Ｑ（ＮＯＩＳＥ）に重畳されて保持されている。

図１６は、図６（ｂ）のタイミングＴ７の状態を示し、ＦＤに保持されている電荷（Ｑ（Ｓ−Ｋｎｅｅ１）＋Ｑ（Ｓ−Ｌｎ）＋Ｑ（ＮＯＩＳＥ））が信号電位ＶＳＮとして出力される。

次に、図１７に上述した撮像素子１６２の光電変換特性を示す。図１７は、横軸に撮像素子１６２への入射光量を、縦軸に撮像データ１６２ｋ（＝ＶＳ）をとった光電変換特性のグラフである。入射光量の少ない側の線形特性がＬｎ特性、入射光量の多い側の線形特性がＫｎｅｅ特性で、（式１）および（式２）から分かるように、ＰＤの飽和出力まではＬｎ特性、それ以上の光量ではＬｎ特性よりも傾きが低いＫｎｅｅ特性となる。

図６（ａ）で説明したように、ＰＤの飽和出力、つまりＰＤに蓄積可能な最大電荷量Ｑｐｄｍａｘは、転送信号ＴＸ２の中間電位ＶＭを制御することで可変であり、中間電位ＶＭを制御することで、光電変換特性の変曲点を自由に設定することができる。それによって、撮像素子１６２のダイナミックレンジを可変にすることができる。

図１７に示すように、ＰＤの飽和出力を高く設定すると（例えばＰＤ飽和出力＝最大出力）、光電変換特性は例えば傾きがＡのＬｎ特性となり、この時のダイナミックレンジはＤレンジ１となる。一方、転送信号ＴＸ２の中間電位ＶＭを制御することでＰＤの飽和出力を最大出力よりも低く設定すると、光電変換特性は、ＰＤの飽和出力までは例えば傾きがＡのＬｎ特性、それ以上の光量ではＬｎ特性よりも傾きが低い（例えば、上述の例では傾きがＡ／４の）Ｋｎｅｅ特性となり、ダイナミックレンジはＤレンジ２まで広くなる。

以上に述べたように、本発明によれば、フォトダイオードの飽和電荷以上の電荷を、転送手段を介して蓄積手段に蓄積することにより、フォトダイオードの飽和電荷以上の電荷も信号電荷として利用することができるので、真の意味でダイナミックレンジを拡大することができ、かつ、リセットノイズを完全に除去できるために高画質化に寄与することのできる撮像素子および該撮像素子を搭載した撮像装置を提供することができる。

尚、本発明に係る撮像素子および該撮像素子を搭載した撮像装置を構成する各構成の細部構成および細部動作に関しては、本発明の趣旨を逸脱することのない範囲で適宜変更可能である。

本発明に係る撮像装置の一例であるデジタルカメラの外観模式図である。 図１に示したデジタルカメラの回路の一例を示すブロック図である。 撮像素子を構成する各構成要素の配置の一例を示す模式図である。 撮像素子を構成する画素の回路の実施の形態を示す回路図である。 撮像素子を構成するサンプルホールド回路の１例を示す回路図である。 図４に示した画素から成る撮像素子の撮像時の動作を示すタイミングチャートである。 図６のタイミングＴ１での画素の各部のポテンシャルを示す模式図である。 図６のタイミングＴ１直後の画素の各部のポテンシャルを示す模式図である。 図６のタイミングＴ２の第１の例での画素の各部のポテンシャルを示す模式図である。 図６のタイミングＴ２の第２の例での画素の各部のポテンシャルを示す模式図である。 図６のタイミングＴ３での画素の各部のポテンシャルを示す模式図である。 図６のタイミングＴ４での画素の各部のポテンシャルを示す模式図である。 図６のタイミングＴ５での画素の各部のポテンシャルを示す模式図である。 図６のタイミングＴ５直後の画素の各部のポテンシャルを示す模式図である。 図６のタイミングＴ６での画素の各部のポテンシャルを示す模式図である。 図６のタイミングＴ７での画素の各部のポテンシャルを示す模式図である。 図４に示した画素から成る撮像素子の光電変換特性を示すグラフである。

符号の説明

１ デジタルカメラ
１０ ボディ
１０１ レリーズボタン
１０１ａ ＡＦスイッチ
１０１ｂ レリーズスイッチ
１１１ 電源スイッチ
１１２ モード設定ダイアル
１１３ 変更ダイアル
１１５ ジョグダイアル
１２１ ファインダ
１２２ 測光モジュール
１３１ 画像表示手段
１４４ ＡＦモジュール
１４５ シャッタ
１５０ カメラ制御手段
１５１ ＣＰＵ（中央処理装置）
１５２ ワークメモリ
１５３ 記憶部
１６０ 撮像回路
１６１ 撮像制御手段
１６２ 撮像素子
１６２ｂ 画素
１６２ｋ 撮像データ
１６３ アンプ
１６４ アナログ／デジタル（Ａ／Ｄ）変換手段
１６５ 画像処理手段
１８１ 画像メモリ
１８２ メモリカード
２０ 交換レンズ
２１１ レンズ
２２１ 絞り

Claims (8)

1. 複数の画素を有する撮像素子において、
   前記画素は、
   被写体からの光を光電変換する光電変換手段と、
   前記光電変換手段により光電変換された光電荷を転送する第１の転送手段と、
   前記第１の転送手段により転送された光電荷を保持する電荷保持手段と、
   前記光電変換手段により光電変換された光電荷を転送する第２の転送手段と、
   前記第２の転送手段により転送された光電荷を蓄積する蓄積手段とを備えたことを特徴とする撮像素子。
2. 前記蓄積手段は、前記光電変換手段と略同一の濃度プロファイル構造を持つことを特徴とする請求項１に記載の撮像素子。
3. 前記蓄積手段は、前記光電変換手段と略同一の空乏時のポテンシャルを持つことを特徴とする請求項１に記載の撮像素子。
4. 前記蓄積手段を遮光する遮光手段を備えたことを特徴とする請求項１乃至３の何れか１項に記載の撮像素子。
5. 前記第２の転送手段に印加する電位を制御する転送制御手段を備えたことを特徴とする請求項１乃至４の何れか１項に記載の撮像素子。
6. 前記撮像素子の撮像動作時の前記第２の転送手段のポテンシャル障壁を、前記第１の転送手段のポテンシャル障壁よりも低く設定する転送制御手段を備えたことを特徴とする請求項１乃至４の何れか１項に記載の撮像素子。
7. 前記第２の転送手段のオン時のポテンシャル障壁を、前記光電変換手段および前記蓄積手段の空乏化時のポテンシャル障壁と略等しく設定する転送制御手段を備えたことを特徴とする請求項１乃至４の何れか１項に記載の撮像素子。
8. 請求項１乃至７の何れか１項に記載の撮像素子を搭載したことを特徴とする撮像装置。

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