JP4738247B2

JP4738247B2 - 撮像装置

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Publication number: JP4738247B2
Application number: JP2006133855A
Authority: JP
Inventors: 和夫杉谷
Original assignee: Hoya Corp
Current assignee: Hoya Corp
Priority date: 2006-05-12
Filing date: 2006-05-12
Publication date: 2011-08-03
Anticipated expiration: 2026-05-12
Also published as: JP2007306381A

Description

本発明は、撮像装置に関し、特に高輝度被写体を撮像する際の黒化けを解消する装置に関する。

従来、ＣＭＯＳセンサを使って太陽などの高輝度被写体を撮像する際の黒化け現象を解消する装置が提案されている。

特許文献１は、補正回路を用いて黒化け現象を解消する固体撮像装置を開示する。
特開２０００−２８７１３１号公報

しかし、特許文献１の装置は、電圧検出手段やリセット電圧設定手段などの補正回路をＣＭＯＳセンサに搭載させる必要があった。

したがって本発明の目的は、ＣＭＯＳセンサに補正回路を追加することなく、黒化け現象を解消する撮像装置を提供することである。

本発明に係る撮像装置は、フォトダイオードと、フローティングディフュージョンと、
リセットトランジスタと、撮影の為の電荷蓄積期間の間に、又は電荷蓄積期間が終了後に、リセットトランジスタがオン状態でサンプルホールドして求めた第１リセット電位とリセットトランジスタがオフ状態でサンプルホールドして求めたフォトダイオードからフローティングディフュージョンにオーバーフローした電荷に基づく第１信号電位との差異に基づく第１画素信号と、電荷蓄積期間の終了前にリセットトランジスタがオフ状態でサンプルホールドして求めた第２リセット電位と電荷蓄積期間の終了後にリセットトランジスタがオフ状態でサンプルホールドして求めた電荷蓄積期間の間にフォトダイオードに蓄積された電荷に基づく第２信号電位との差異に基づく第２画素信号とを出力する相関二重サンプリング及びサンプルホールド回路とを備える。

好ましくは、第１、第２画素信号を合成する画像処理部を備える。

また、好ましくは、電荷蓄積期間の間、電荷蓄積期間終了後のいずれにおいてフォトダイオードからオーバーフローした電荷に基づく第１信号電位を求めるかを判断する制御部を備える。

さらに好ましくは、制御部は、電荷蓄積期間の長さが、全画素の第１画素信号を出力する時間を有するか否かを判断ことにより、電荷蓄積期間の間、電荷蓄積期間終了後のいずれにおいてフォトダイオードからオーバーフローした電荷に基づく第１信号電位を求めるかを判断する。

また、好ましくは、リセットトランジスタのオン状態、オフ状態を制御するタイミングパルスを出力するタイミングジェネレータを備える。

以上のように本発明によれば、ＣＭＯＳセンサに補正回路を追加することなく、黒化け現象を解消する撮像装置を提供することができる。

以下、第１の実施形態について、図を用いて説明する。第１の実施形態にかかる撮像装置１は、撮像部１０、画像処理部５０、タイミングジェネレータ６０、制御部７０、及びＡＥ部８０を備える（図１参照）。

撮像部１０は、受光された被写体像を形成する光を光電変換するＭ行Ｎ列の画素アレイ（Ｍ×Ｎ画素）と、Ｎ個のＣＤＳ（相関二重サンプリング）及びＳＨ（サンプルホールド）回路、Ｎ本の垂直読み出し線ＨＬ_Ｎ、及び水平読み出し線ＶＬを有するＣＭＯＳセンサである。Ｍ、Ｎは１以上の整数である。

第ｍ行目、第ｎ列目の画素を第ｍ行第ｎ列画素Ｐ_ｍｎと、第ｎ列目のＣＤＳ及びＳＨ回路を第ｎ列回路ＳＨ_ｎと、第ｎ列目の垂直読み出し線を第ｎ列垂直読み出し線ＨＬ_ｎと定義する（図２参照）。ｍは１以上Ｍ以下の整数、ｎは１以上Ｎ以下の整数である。

第ｎ列回路ＳＨ_ｎは、第１行第ｎ列画素Ｐ_１ｎ〜第Ｍ行第ｎ列画素Ｐ_Ｍｎにおいて蓄積された電荷に基づいて、画素ごとの第１、第２画素信号を、画像処理部５０に出力する。

第１画素信号は、撮影の為の電荷蓄積期間Ｔの中の第１期間Ｔ１の間、又は撮影の為の電荷蓄積期間Ｔが終了後に、フォトダイオード１１に蓄積され、フローティングディフュージョン１３にオーバーフローされた電荷に基づいて、リセットトランジスタ１４がオン状態でプリセットレベル用にサンプルホールドして求めた第１リセット電位ｒｖ１と、リセットトランジスタ１４がオフ状態でデータレベル用にサンプルホールドして求めた第１信号電位ｓｖ１との差異に基づいて求められる。

第２画素信号は、撮影の為の電荷蓄積期間Ｔの間にフォトダイオード１１に蓄積され、フローティングディフュージョン１３に転送された電荷に基づいて、電荷蓄積期間Ｔの終了前にリセットトランジスタ１４がオフ状態でプリセットレベル用にサンプルホールドして求めた第２リセット電位ｒｖ２と、電荷蓄積期間Ｔの終了後にリセットトランジスタ１４がオフ状態でデータレベル用にサンプルホールドして求めた第２信号電位ｓｖ２との差異に基づいて求められる。

画像処理部５０は、第１〜第Ｎ列回路ＳＨ_１〜ＳＨ_Ｎから出力された各画素の第１、第２画素信号を合成し、これを画素ごとの画像信号として所定の信号処理を行う。

タイミングジェネレータ６０は、各部に出力するタイミングパルスを制御する。特に、後述するリセットトランジスタ１４など撮像部１０の各トランジスタに出力するＯＮ／ＯＦＦ信号のタイミングを制御する。

制御部７０は、各部を制御する。制御部７０は、電荷蓄積期間Ｔの長さが、全画素の第１画素信号を出力する時間（第１読み出し期間ＴＴ１）を有するか否かを判断する。有する場合は、第１画素信号の出力動作を第１期間Ｔ１で行い（第１期間Ｔ１の間のフォトダイオード１１からオーバーフローした電荷に基づく第１信号電位ｓｖ１を求める、図３参照）、有しない場合は、第１画素信号の出力動作を電荷蓄積期間Ｔの終了後に行う（電荷蓄積期間Ｔの終了後にフォトダイオード１１からオーバーフローした電荷に基づく第１信号電位ｓｖ１を求める、図４参照）。

全画素の第２画素信号を出力する時間を第２読み出し期間ＴＴ２と定義する（図６、７参照）。

ＡＥ部８０は、被写体の測光動作を実行して露光値を演算し、この露光値に基づき撮影に必要となる絞り値及び電荷蓄積期間Ｔを演算する。

第ｍ行第ｎ列画素Ｐ_ｍｎは、フォトダイオード（ＰＤ）１１、転送トランジスタ（ＴＧ）１２、フローティングディフュージョン（ＦＤ）１３、リセットトランジスタ（ＲＧ）１４、増幅トランジスタ１５、及び選択トランジスタ（ＳＬ）１６を有する。

第ｎ列回路ＳＨ_ｎは、ＳＨＰ（プリセットレベル用サンプルホールドトランジスタ）２１、ＳＨＤ（データレベル用サンプルホールドトランジスタ）２２、ＳＲ（列選択トランジスタ）２３、Ｃ_Ｐ（プリセットレベル用キャパシタ）２４、Ｃ_Ｄ（データレベル用キャパシタ）２５、及び差分回路２６を有する。

図２を用いて、第１、第２画素信号が出力される過程を説明する。フォトダイオード１１において、第ｍ行第ｎ列画素Ｐ_ｍｎにおける受光量に応じた電荷が発生し、発生した電荷が蓄積される。フォトダイオード１１は、転送トランジスタ１２を介してフローティングディフュージョン１３に接続される。転送トランジスタ１２にＯＮ信号が入力されると、フォトダイオード１１に蓄積された電荷はフローティングディフュージョン１３に転送される。フローティングディフュージョン１３の電位は、転送された電荷に応じた電位に変わる。

フローティングディフュージョン１３は、リセットトランジスタ１４を介して所定の電位（基準入力電位）に維持された電源線Ｖｄｄに接続される。リセットトランジスタ１４にＯＮ信号が入力されると、フローティングディフュージョン１３に転送された電荷は電源線Ｖｄｄに掃出されてリセットされる。またフローティングディフュージョン１３の電位は、電源線Ｖｄｄの電位にリセットされる。

フローティングディフュージョン１３は増幅トランジスタ１５に接続される。フローティングディフュージョン１３の電位に応じた信号電圧が、画素信号として第ｍ行第ｎ列画素Ｐ_ｍｎから出力可能になる。

増幅トランジスタ１５は、選択トランジスタ１６を介して第ｎ列垂直読み出し線ＨＬ_ｎに接続される。選択トランジスタ１６にＯＮ信号が入力されると、画素信号は第ｎ列垂直読み出し線ＨＬ_ｎに出力される。第ｎ列垂直読み出し線ＨＬ_ｎは、第ｎ列回路ＳＨ_ｎのＳＨＰ２１、及びＳＨＤ２２と接続される。

ＳＨＰ２１は、ＳＲ２３、Ｃ_Ｐ２４、及び差分回路２６と接続される。ＳＨＤ２２は、ＳＲ２３、Ｃ_Ｄ２５、及び差分回路２６と接続される。ＳＲ２３を制御することにより、第ｎ列の画素（第１行第ｎ列画素Ｐ_１ｎ〜第Ｍ行第ｎ列画素Ｐ_Ｍｎ）の中から画素信号を読み出しする行（画素）が選択される。

差分回路２６において、ＳＨＤ２２にＯＮ信号が入力されるときにＣ_Ｄ２５によって保持（データレベル用にサンプルホールド）される信号電位から、ＳＨＰ２１にＯＮ信号が入力されるときにＣ_Ｐ２４によって保持（プリセットレベル用にサンプルホールド）されるリセット電位が減算されることにより、選択した画素の画素信号が被写体像に対応した画素信号（第１、第２画素信号）として、水平読み出し線ＶＬを介して、画像処理部５０へ出力される。

転送トランジスタ１２、リセットトランジスタ１４、選択トランジスタ１６、ＳＨＰ２１、及びＳＨＤ２２にはタイミングジェネレータ６０からパルス状のＯＮ／ＯＦＦ信号が入力される。ＯＮ／ＯＦＦ信号のタイミングは、図３、４のタイミングチャートを使って説明する。

図３、図４のタイミングチャートでは、第ｍ行第ｎ列画素Ｐ_ｍｎのフォトダイオード１１において撮影のための電荷蓄積が開始されてから、フローティングディフュージョン１３において蓄積された電荷が掃き出しされるまでの間の各トランジスタに入力するＯＮ／ＯＦＦ信号を説明する。総ての画素（第１行第１列画素Ｐ_１１〜第Ｍ行第Ｎ列画素Ｐ_ＭＮ）においても同様のＯＮ／ＯＦＦ信号のタイミングを有するが、行ごとに、各画素のフォトダイオード１１において撮影のための電荷蓄積が開始されるタイミングが異なる（ライン露光、図６、図７参照）。

電荷蓄積期間Ｔの長さが、全画素の第１読み出し期間ＴＴ１を有する場合のタイミングチャートを図３に、有しない場合のタイミングチャートを図４に示す。

まず、図３のタイミングチャートについて説明する。時点ｔ１１までは、転送トランジスタ１２はオフ状態、リセットトランジスタ１４はオン状態、選択トランジスタ１６はオフ状態、ＳＨＰ２１はオフ状態、ＳＨＤ２２はオフ状態にされている。

時点ｔ１１で、転送トランジスタ１２にＯＮ信号が入力されオン状態にされる。転送トランジスタ１２、及びリセットトランジスタ１４がオン状態にされているので、フォトダイオード１１に蓄積されていた電荷はフローティングディフュージョン１３に転送され、フローティングディフュージョン１３に転送された電荷は電源線Ｖｄｄに掃出されてリセットされる（初期リセット動作）。

時点ｔ１２で、転送トランジスタ１２がオフ状態にされ、フォトダイオード１１において撮影のための電荷蓄積が開始される（電荷蓄積期間Ｔ開始）。

時点ｔ１３で、選択トランジスタ１６にＯＮ信号が入力され、第ｍ行第ｎ列画素Ｐ_ｍｎからの画素信号が第ｎ垂直読み出し線ＨＬ_ｎに出力可能な状態にされる。

時点ｔ１４で、ＳＨＰ２１にＯＮ信号が入力されオン状態にされる。これにより、Ｃ_Ｐ２４によって第１リセット電位ｒｖ１が保持される。第１リセット電位ｒｖ１が保持されるとＳＨＰ２１はオフ状態にされる。

時点ｔ１５でリセットトランジスタ１４がオフ状態にされる。このとき、太陽などの高輝度被写体を撮像する画素のフォトダイオード１１では、蓄積される電荷が、通常の被写体を撮像する場合に比べて大きくなり、過剰に発生した電荷が、転送トランジスタ１２がオフ状態であるにもかかわらず、フローティングディフュージョン１３に漏れ出（オーバーフロー）される（図３のフォトダイオード１１（１）、フローティングディフュージョン１３（１）参照）。通常の被写体を撮像する画素のフォトダイオード１１では、電荷が過剰に発生しないので、転送トランジスタ１２がオフ状態であることから、蓄積された電荷がフローティングディフュージョン１３にオーバーフローされない（図３のフォトダイオード１１（２）、フローティングディフュージョン１３（２）参照）。

時点ｔ１６で、ＳＨＤ２２にＯＮ信号が入力されオン状態にされる。これによりＣ_Ｄ２５によって第１信号電位ｓｖ１が保持される。第１信号電位ｓｖ１が保持されるとＳＨＤ２２はオフ状態にされる。

時点ｔ１７で、リセットトランジスタ１４にＯＮ信号が入力されオン状態にされる。これにより、フローティングディフュージョン１３にオーバーフローした電荷は電源線Ｖｄｄに掃出されてリセットされる。

時点ｔ１８で、選択トランジスタ１６がオフ状態にされる。

時点ｔ１８の後、差分回路２６の出力端子から、第１信号電位ｓｖ１と第１リセット電位ｒｖ１との差異が第ｍ行第ｎ列画素Ｐ_ｍｎの第１画素信号として、水平読み出し線ＶＬを介して、画像処理部５０に出力される。

電荷が過剰に発生した画素においては、フローティングディフュージョン１３にオーバーフローした電荷に基づいて、第１信号電位ｓｖ１と第１リセット電位ｒｖ１との間に差異が生ずる（図３のフローティングディフュージョン１３（１）参照）。電荷が過剰に発生しない画素においては、フローティングディフュージョン１３に電荷がオーバーフローしないため、第１信号電位ｓｖ１と第１リセット電位ｒｖ１との間に差異が生じない（図３のフローティングディフュージョン１３（２）参照）。

時点ｔ１１〜ｔ１８の動作（第１画素信号の取り出し動作）は、同じ行の他の画素（第ｍ行第１列画素Ｐ_ｍ１〜第ｍ行第Ｎ列画素Ｐ_ｍＮ）においても同じタイミングで行われる。但し、水平読み出し線ＶＬを介して、画像処理部５０に出力されるタイミングは、それぞれの画素で異なる。時点ｔ１１の動作が最初に行われた行の画素において、時点ｔ１８動作後から時点ｔ１９における動作が行われるまでに、他の行（の画素）において時点ｔ１１〜ｔ１８における動作と同じ動作（第１画素信号の取り出し動作）が行われる（図６参照）。総ての行について、時点ｔ１１〜ｔ１８の動作（画像処理部５０への出力を含む）が完了することにより、第１読み出し期間ＴＴ１が終了する。

時点ｔ１９で、選択トランジスタ１６にＯＮ信号が入力されてオン状態にされ、第ｍ行第ｎ列画素Ｐ_ｍｎからの画素信号が第ｎ垂直読み出し線ＨＬ_ｎに出力可能な状態にされる。

時点ｔ２０で、リセットトランジスタ１４がオフ状態にされる。このとき、太陽などの高輝度被写体を撮像する画素のフォトダイオード１１では、蓄積される電荷が、通常の被写体を撮像する場合に比べて大きくなり、過剰に発生した電荷が、転送トランジスタ１２がオフ状態であるにもかかわらず、フローティングディフュージョン１３にオーバーフローされる（図３のフォトダイオード１１（１）、フローティングディフュージョン１３（１）参照）。通常の被写体を撮像する画素のフォトダイオード１１では、電荷が過剰に発生しないので、転送トランジスタ１２がオフ状態であることから、蓄積された電荷がフローティングディフュージョン１３にオーバーフローされない（図３のフォトダイオード１１（２）、フローティングディフュージョン１３（２）参照）。

時点ｔ２１で、ＳＨＰ２１にＯＮ信号が入力されオン状態にされる。これにより、Ｃ_Ｐ２４によって第２リセット電位ｒｖ２が保持される。第２リセット電位ｒｖ２が保持されるとＳＨＰ２１はオフ状態にされる。

時点ｔ２２で、転送トランジスタ１２にＯＮ信号が入力されオン状態にされ、電荷蓄積期間Ｔが終了する。転送トランジスタ１２がオン状態にされると、フォトダイオード１１に蓄積されていた電荷はフローティングディフュージョン１３に転送される。但し、高輝度被写体を撮像する画素のフォトダイオード１１では、既に過剰に発生した電荷がフローティングディフュージョン１３にオーバーフローされている（図３のフローティングディフュージョン１３（１）参照）。

転送トランジスタ１２がオフ状態にされた後、時点ｔ２３で、ＳＨＤ２２にＯＮ信号が入力されオン状態にされる。これによりＣ_Ｄ２５によって第２信号電位ｓｖ２が保持される。第２信号電位ｓｖ２が保持されるとＳＨＤ２２はオフ状態にされる。

時点ｔ２４で、リセットトランジスタ１４にＯＮ信号が入力されオン状態にされる。これにより、フローティングディフュージョン１３に転送された電荷は電源線Ｖｄｄに掃出されてリセットされる。

時点ｔ２５で、選択トランジスタ１６がオフ状態にされる。

時点ｔ２５の後、差分回路２６の出力端子から、第２信号電位ｓｖ２と第２リセット電位ｒｖ２との差異が第ｍ行第ｎ列画素Ｐ_ｍｎの第２画素信号として、水平読み出し線ＶＬを介して、画像処理部５０に出力される。

電荷が過剰に発生した画素においては、フローティングディフュージョン１３にオーバーフローした電荷に基づいて、第２信号電位ｓｖ２と第２リセット電位ｒｖ２との間に差異が生じない（図３のフローティングディフュージョン１３（１）参照）。電荷が過剰に発生しない画素においては、フローティングディフュージョン１３に電荷がオーバーフローしないため、第２信号電位ｓｖ２と第２リセット電位ｒｖ２との間に差異が生じる（図３のフローティングディフュージョン１３（２）参照）。

第１、第２画素信号は、画像処理部５０において合成される。合成された画素信号は、高輝度被写体を撮像した画素であっても黒化けが生じない。高輝度被写体を撮像した画素における第２画素信号は、無信号状態であるため、第２画素信号に対応する画像は黒化けするが、第１画素信号で無信号状態を補完するためである。通常被写体を撮像した画素においては、第２画素信号に基づいて画像を得ることが可能であるため、無信号状態の第１画素信号を合成しても画像に悪影響を及ぼすことはない。

時点ｔ１９〜ｔ２５の動作（第２画素信号の取り出し動作）は、同じ行の他の画素（第ｍ行第１列画素Ｐ_ｍ１〜第ｍ行第Ｎ列画素Ｐ_ｍＮ）においても同じタイミングで行われる。但し、水平読み出し線ＶＬを介して、画像処理部５０に出力されるタイミングは、それぞれの画素で異なる。時点ｔ１１の動作が最初に行われた行の画素において、時点ｔ２５における動作が行われた後、他の行（の画素）において時点ｔ１９〜ｔ２５における動作と同じ動作（第２画素信号の取り出し動作）が行われる（図６参照）。総ての行について、時点ｔ１９〜ｔ２５の動作（画像処理部５０への出力を含む）が完了（第２読み出し期間ＴＴ２が終了）することにより全画素の読み出し動作が完了する。

１フレーム期間ＦＴは、時点ｔ１１〜ｔ２５の動作（画像処理部５０への出力を含む）が完了する時間を有する。１フレーム期間ＦＴ終了後の初期リセット動作に基づいて、次の１フレーム期間ＦＴが開始される。

次に、図４のタイミングチャートについて説明する。図３のタイミングチャートと同じ動作の時点は同じ時点番号を付している。時点ｔ１１までは、転送トランジスタ１２はオフ状態、リセットトランジスタ１４はオン状態、選択トランジスタ１６はオフ状態、ＳＨＰ２１はオフ状態、ＳＨＤ２２はオフ状態にされている。

時点ｔ１９で、選択トランジスタ１６にＯＮ信号が入力されてオン状態にされ、第ｍ行第ｎ列画素Ｐ_ｍｎからの画素信号が第ｎ列垂直読み出し線ＨＬ_ｎに出力可能な状態にされる。

時点ｔ２０で、リセットトランジスタ１４がオフ状態にされる。このとき、太陽などの高輝度被写体を撮像する画素のフォトダイオード１１では、蓄積される電荷が、通常の被写体を撮像する場合に比べて大きくなり、過剰に発生した電荷が、転送トランジスタ１２がオフ状態であるにもかかわらず、フローティングディフュージョン１３にオーバーフローされる（図４のフォトダイオード１１（１）、フローティングディフュージョン１３（１）参照）。通常の被写体を撮像する画素のフォトダイオード１１では、電荷が過剰に発生しないので、転送トランジスタ１２がオフ状態であることから、蓄積された電荷がフローティングディフュージョン１３にオーバーフローされない（図４のフォトダイオード１１（２）、フローティングディフュージョン１３（２）参照）。

時点ｔ２２で、転送トランジスタ１２にＯＮ信号が入力されオン状態にされ、電荷蓄積期間Ｔが終了する。転送トランジスタ１２がオン状態にされると、フォトダイオード１１に蓄積されていた電荷はフローティングディフュージョン１３に転送される。但し、高輝度被写体を撮像する画素のフォトダイオード１１では、既に過剰に発生した電荷がフローティングディフュージョン１３にオーバーフローされている（図４のフローティングディフュージョン１３（１）参照）。

電荷が過剰に発生した画素においては、フローティングディフュージョン１３にオーバーフローした電荷に基づいて、第２信号電位ｓｖ２と第２リセット電位ｒｖ２との間に差異が生じない（図４のフローティングディフュージョン１３（１）参照）。電荷が過剰に発生しない画素においては、フローティングディフュージョン１３に電荷がオーバーフローしないため、第２信号電位ｓｖ２と第２リセット電位ｒｖ２との間に差異が生じる（図４のフローティングディフュージョン１３（２）参照）。

時点ｔ１１、ｔ１２、ｔ１９〜ｔ２５の動作（第２画素信号取り出し動作）は、同じ行の他の画素（第ｍ行第１列画素Ｐ_ｍ１〜第ｍ行第Ｎ列画素Ｐ_ｍＮ）においても同じタイミングで行われる。但し、水平読み出し線ＶＬを介して、画像処理部５０に出力されるタイミングは、それぞれの画素で異なる。時点ｔ１１の動作が最初に行われた行の画素における時点ｔ２５動作後から時点ｔ３３における動作が行われるまでに、他の行（の画素）における時点ｔ１１、ｔ１２、ｔ１９〜ｔ２５（第２画素信号の取り出し動作）の動作が行われる（図７参照）。総ての行について、時点ｔ１９〜ｔ２５の動作（画像処理部５０への出力を含む）が完了することにより、第２読み出し期間ＴＴ２が終了する。

時点ｔ３３で、選択トランジスタ１６にＯＮ信号が入力され、第ｍ行第ｎ列画素Ｐ_ｍｎからの画素信号が第ｎ列垂直読み出し線ＨＬ_ｎに出力可能な状態にされる。

時点ｔ３４で、ＳＨＰ２１にＯＮ信号が入力されオン状態にされる。これにより、Ｃ_Ｐ２４によって第１リセット電位ｒｖ１が保持される。第１リセット電位ｒｖ１が保持されるとＳＨＰ２１はオフ状態にされる。

時点ｔ３５でリセットトランジスタ１４がオフ状態にされる。このとき、太陽などの高輝度被写体を撮像する画素のフォトダイオード１１では、蓄積される電荷が、通常の被写体を撮像する場合に比べて大きくなり、過剰に発生した電荷が、転送トランジスタ１２がオフ状態であるにもかかわらず、フローティングディフュージョン１３にオーバーフローされる（図４のフォトダイオード１１（１）、フローティングディフュージョン１３（１）参照）。通常の被写体を撮像する画素のフォトダイオード１１では、電荷が過剰に発生しないので、転送トランジスタ１２がオフ状態であることから、蓄積された電荷がフローティングディフュージョン１３にオーバーフローされない（図４のフォトダイオード１１（２）、フローティングディフュージョン１３（２）参照）。

時点ｔ３６で、ＳＨＤ２２にＯＮ信号が入力されオン状態にされる。これによりＣ_Ｄ２５によって第１信号電位ｓｖ１が保持される。第１信号電位ｓｖ１が保持されるとＳＨＤ２２はオフ状態にされる。

時点ｔ３７で、リセットトランジスタ１４にＯＮ信号が入力されオン状態にされる。これにより、フローティングディフュージョン１３にオーバーフローした電荷は電源線Ｖｄｄに掃出されてリセットされる。

時点ｔ３８で、選択トランジスタ１６がオフ状態にされる。

時点ｔ３８の後、差分回路２６の出力端子から、第１信号電位ｓｖ１と第１リセット電位ｒｖ１との差異が第ｍ行第ｎ列画素Ｐ_ｍｎの第１画素信号として、水平読み出し線ＶＬを介して、画像処理部５０に出力される。

電荷が過剰に発生した画素においては、フローティングディフュージョン１３にオーバーフローした電荷に基づいて、第１信号電位ｓｖ１と第１リセット電位ｒｖ１との間に差異が生ずる（図４のフローティングディフュージョン１３（１）参照）。電荷が過剰に発生しない画素においては、フローティングディフュージョン１３に電荷がオーバーフローしないため、第１信号電位ｓｖ１と第１リセット電位ｒｖ１との間に差異が生じない（図４のフローティングディフュージョン１３（２）参照）。

第１、第２画素信号は、画像処理部５０において合成される。合成された画素信号は、高輝度被写体を撮像した画素であっても黒化けが生じない。

時点ｔ３３〜ｔ３８の動作（第１画素信号取り出し動作）は、同じ行の他の画素（第ｍ行第１列画素Ｐ_ｍ１〜第ｍ行第Ｎ列画素Ｐ_ｍＮ）においても同じタイミングで行われる。但し、水平読み出し線ＶＬを介して、画像処理部５０に出力されるタイミングは、それぞれの画素で異なる。時点ｔ１１の動作が最初に行われた行の画素において、時点ｔ３８における動作が行われた後に、他の行における時点ｔ３３〜ｔ３８における動作と同じ動作（第１画素信号の取り出し動作）が行われる（図７参照）。総ての行について、時点ｔ３３〜ｔ３８の動作（画像処理部５０への出力を含む）が完了（第１読み出し期間ＴＴ１が終了）することにより全画素の読み出し動作が完了する。

１フレーム期間ＦＴは、時点ｔ１１〜ｔ３８の動作（画像処理部５０への出力を含む）が完了する時間を有する。１フレーム期間ＦＴ終了後の初期リセット動作に基づいて、次の１フレーム期間ＦＴが開始される。

第１信号電位ｓｖ１と第１リセット電位ｒｖ１との間に差異が生じない場合、及び第２信号電位ｓｖ２と第２リセット電位ｒｖ２との間に差異が生じない場合は、その画素信号（画像処理部５０に出力される信号）はゼロであり、受光される光が全くなかったかのように、その画素に対応する部分の画像は黒である。

太陽などの高輝度被写体を撮像する場合、高輝度被写体の光を受光した画素に対応する部分の画像が黒くなる黒化けが、第２画素信号に基づく画像に現れる（図５参照）。本実施形態では、第２画素信号に基づく画像の黒化け発生箇所を補正する第１画素信号に基づく画像を合成するので、黒化け現象を解消することが可能になる。なお、第１画素信号に基づく画像では、高輝度被写体の光を受光しない画素に対応する部分の画像が黒くなるが、画素信号レベルがゼロの状態（無信号状態）であるため、合成しても第２画素信号に影響を与えることはない。

本実施形態では、タイミングジェネレータ６０から出力されるタイミングパルスに基づいて、リセットトランジスタ１４などのオン状態にするタイミングを制御することにより、黒化け現象を解消することが可能であるため、黒化け現象を解消するための補正回路を用意する必要はない。

本実施形態における撮像装置の構成図である。第ｍ行第ｎ列画素と、第ｎ列回路の構成図である。電荷蓄積期間の長さが、全画素の第１読み出し期間を有する場合の、トランジスタのＯＮ／ＯＦＦ状態などを示すタイミングチャートある。電荷蓄積期間の長さが、全画素の第１読み出し期間を有しない場合の、トランジスタのＯＮ／ＯＦＦ状態などを示すタイミングチャートある。第１、第２画素信号に基づく画像、これらの合成した画像を示す図である。電荷蓄積期間の長さが、全画素の第１読み出し期間を有する場合の、行ごとのトランジスタのＯＮ／ＯＦＦ状態などを示すタイミングチャートある。電荷蓄積期間の長さが、全画素の第１読み出し期間を有しない場合の、行ごとのトランジスタのＯＮ／ＯＦＦ状態などを示すタイミングチャートある。

符号の説明

１撮像装置
１０撮像部
１１フォトダイオード（ＰＤ）
１２転送トランジスタ（ＴＧ）
１３フローティングディフュージョン（ＦＤ）
１４リセットトランジスタ（ＲＧ）
１５増幅トランジスタ
１６選択トランジスタ（ＳＬ）
２１ＳＨＰ
２２ＳＨＤ
２３ＳＲ
２４Ｃ_Ｐ
２５Ｃ_Ｄ
２６差分回路
５０画像処理部
６０タイミングジェネレータ
７０制御部
８０ＡＥ部
ＦＴ１フレーム期間
ＨＬ_ｎ第ｎ列垂直読み出し線
Ｐ_ｍｎ第ｍ行第ｎ列画素
ＳＨ_ｎ第ｎ列回路
Ｔ電荷蓄積期間
Ｔ１第１期間
ＴＴ１、ＴＴ２第１、第２読み出し期間
ＶＬ水平読み出し線

Claims

フォトダイオードと、
フローティングディフュージョンと、
リセットトランジスタと、
撮影の為の電荷蓄積期間の間に、又は前記電荷蓄積期間が終了後に、前記リセットトランジスタがオン状態でサンプルホールドして求めた第１リセット電位と前記リセットトランジスタがオフ状態でサンプルホールドして求めた前記フォトダイオードから前記フローティングディフュージョンにオーバーフローした電荷に基づく第１信号電位との差異に基づく第１画素信号と、前記電荷蓄積期間の終了前に前記リセットトランジスタがオフ状態でサンプルホールドして求めた第２リセット電位と前記電荷蓄積期間の終了後に前記リセットトランジスタがオフ状態でサンプルホールドして求めた前記電荷蓄積期間の間に前記フォトダイオードに蓄積された電荷に基づく第２信号電位との差異に基づく第２画素信号とを出力する相関二重サンプリング及びサンプルホールド回路とを備えることを特徴とする撮像装置。
前記第１、第２画素信号を合成する画像処理部を備えることを特徴とする請求項１に記載の撮像装置。
前記電荷蓄積期間の間、前記電荷蓄積期間終了後のいずれにおいて前記フォトダイオードからオーバーフローした電荷に基づく前記第１信号電位を求めるかを判断する制御部を備えることを特徴とする請求項１に記載の撮像装置。
前記制御部は、前記電荷蓄積期間の長さが、全画素の前記第１画素信号を出力する時間を有するか否かを判断ことにより、前記電荷蓄積期間の間、前記電荷蓄積期間終了後のいずれにおいて前記フォトダイオードからオーバーフローした電荷に基づく前記第１信号電位を求めるかを判断することを特徴とする請求項３に記載の撮像装置。
前記リセットトランジスタのオン状態、オフ状態を制御するタイミングパルスを出力するタイミングジェネレータを備えることを特徴とする請求項１に記載の撮像装置。