固体撮像装置、撮像装置
【課題】色ずれを生じることなく、ダイナミックレンジの拡大を可能にする固体撮像装置を提供する。
【解決手段】電磁波を電荷に変換し、電荷量に応じた信号を出力する画素１０を含み、画素１０が２次元配置され、隣接する画素１０において、電磁波を電荷に変換する、フォトダイオードＰＤ及び転送トランジスタ２１の部分の構成は同一であるが、電荷量と信号量との関係を異ならせることが可能である、画素部とを含む固体撮像装置を構成する。
【解決手段】電磁波を電荷に変換し、電荷量に応じた信号を出力する画素１０を含み、画素１０が２次元配置され、隣接する画素１０において、電磁波を電荷に変換する、フォトダイオードＰＤ及び転送トランジスタ２１の部分の構成は同一であるが、電荷量と信号量との関係を異ならせることが可能である、画素部とを含む固体撮像装置を構成する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本技術は、固体撮像装置及び固体撮像装置を備えた撮像装置に係わる。
【背景技術】
【０００２】
ＣＭＯＳイメージセンサ（ＣＭＯＳ型固体撮像装置）においては、ダイナミックレンジを拡大する方法として、様々な方法が知られている。
そして、例えば、隣接する画素間で感度に差を与えることにより、ダイナミックレンジを拡大することが提案されている。
【０００３】
このように、隣接する画素間で感度に差を与えてダイナミックレンジを拡大する方法としては、以下の方法が知られている（例えば、特許文献１参照）。
第１の方法は、開口率や透過率を隣接する画素で異ならせることによって、光の利用効率を変えて、感度に差を与える方法である。
第２の方法は、蓄積時間を隣接する画素で異ならせることによって、感度に差を与える方法である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００５−３３２８８０号公報（［０００３］）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上述した２つの方法では、それぞれ以下に挙げるような問題点があった。
第１の方法では、２種類の感度とした場合に、実質的な画素数が１／２となり、その分解像度が下がる。そして、被写体の明度の差が少ない場合のように、ダイナミックレンジの拡大を必要としない場合でも、解像度が下がってしまう。また、開口率や透過率の小さい画素では、画素に入射する前までの損失が大きくなるため、被写体が暗い場合には得られる電荷が非常に少なくなる。
第２の方法では、手ぶれが生じていたり、被写体に動く物体が含まれていたりしたときに、エッジに色ずれ等が起こる。
【０００６】
本技術の目的は、色ずれを生じることなく、ダイナミックレンジの拡大を可能にする固体撮像装置及び固体撮像装置を備えた撮像装置を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本技術の固体撮像装置は、電磁波を電荷に変換し、電荷量に応じた信号を出力する画素を含む。また、画素が２次元配置され、隣接する画素において、電磁波を電荷に変換する部分の構成は同一であるが、電荷量と信号量との関係を異ならせることが可能である、画素部とを含む。
【０００８】
本技術の撮像装置は、上記本技術の固体撮像装置と、固体撮像装置に入射光を導く光学系と、固体撮像装置の出力信号を処理する信号処理回路とを含む。
【０００９】
上述の本技術の固体撮像装置の構成によれば、隣接する画素において、電磁波を電荷に変換する部分の構成は同一であるが、電荷量と信号量との関係を異ならせることが可能である構成となっている。
隣接する画素において、電荷量と信号量との関係（即ち、変換ゲイン）を異ならせることが可能であることから、変換ゲインが高く感度の高い信号と、変換ゲインが低く感度の低い信号とを、隣接するそれぞれの画素で得ることができる。これにより、ダイナミックレンジを拡大することができる。
一方、電磁波を電荷に変換する部分の構成は隣接する画素で同一であることから、隣接する画素で電荷の蓄積時間は同一になる。これにより、手振れがあったり、被写体に動きがあったりしても、色ずれを生じないようにすることができる。また、変換ゲインが低い画素において、得られる電荷は変換ゲインが高い画素と同様であり、充分な電荷が得られる。
【００１０】
上述の本技術の撮像装置の構成によれば、本技術の固体撮像装置を含むので、固体撮像装置において、色ずれを生じることなく、ダイナミックレンジを拡大することができる。
【発明の効果】
【００１１】
上述の本技術によれば、色ずれを生じることなく、ダイナミックレンジを拡大することができるので、ダイナミックレンジが大きく、画質の良好な固体撮像装置や撮像装置を実現することができる。
また、本技術によれば、同じ画素から信号を２回読み出す必要がなく、複雑な構成の固体撮像装置が不要であり、安価な構成でダイナミックレンジの拡大を実現することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】第１の実施の形態の固体撮像装置の概略構成図（ブロック図）である。
【図２】図１の画素部の画素の回路構成図である。
【図３】図２の画素を駆動する駆動パルスのタイミングチャートである。
【図４】図１の各画素への配線の概略構成図である。
【図５】第２の実施の形態の固体撮像装置の画素部の画素の回路構成図である。
【図６】第２の実施の形態の固体撮像装置における画素共有の組み合わせを示す図である。
【図７】固体撮像装置の変形例の各画素への配線の概略構成図である。
【図８】第３の実施の形態の撮像装置の概略構成図（ブロック図）である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、本技術を実施するための最良の形態（以下、実施の形態とする）について説明する。
なお、説明は以下の順序で行う。
１．第１の実施の形態（固体撮像装置）
２．第２の実施の形態（固体撮像装置）
３．固体撮像装置の変形例
４．第３の実施の形態（撮像装置）
【００１４】
＜１．第１の実施の形態（固体撮像装置）＞
第１の実施の形態の固体撮像装置の概略構成図（ブロック図）を、図１に示す。
図１に示すように、この固体撮像装置１００は、センサ部となる画素部１１０と、画素部１１０を駆動させる垂直駆動回路１２０と、カラム処理回路１３０と、出力回路１４０と、制御回路１５０とを有している。
【００１５】
画素部１１０は、入射した電磁波（光、電波等）を電荷に変換し、電荷の量に応じた信号を出力する画素が、多数２次元配置されて、構成される。
垂直駆動回路１２０は、画素部１１０の画素を駆動する。
カラム処理回路１３０は、１行分の画素からの画像信号を受けて、信号レベルとリセットレベルの差分をとり、さらに、アナログ／デジタル変換等を行う。
出力回路１４０は、カラム処理回路１３０からの画像信号を受けて、ゲインの調整や傷補正等を行って、外部に出力する。
制御回路１５０は、垂直駆動回路１２０、カラム処理回路１３０、出力回路１４０の各部に制御信号を送って、動作を制御する。
【００１６】
なお、画素部１１０の画素で電気信号に変換する電磁波は、通常の固体撮像装置では可視光線や紫外線や赤外線等の光であるが、図１の固体撮像装置１００のような本技術の固体撮像装置では、特に限定されるものではない。
本技術の固体撮像装置では、可視光線や紫外線や赤外線等の光、電離放射線、電波やマイクロ波等、様々な電磁波に対して、ある程度の波長範囲の電磁波を電気信号に変換する構成とすることができる。
【００１７】
次に、図１の固体撮像装置１００の画素部１１０の画素の回路構成図を、図２に示す。
図２に示す画素１０は、従来の４トランジスタを有する画素と同様の回路素子を有している。即ち、フォトダイオードＰＤと、転送トランジスタ２１と、フローティングディフュージョンＦＤと、リセットトランジスタ２２と、増幅トランジスタ２３と、選択トランジスタ２４とを有して、画素１０が構成されている。
図２に示す画素１０は、さらに、フローティングディフュージョンＦＤとリセットトランジスタ２２との間に、コンデンサＣ及びスイッチトランジスタ２５を有している。
【００１８】
光電変換素子であるフォトダイオードＰＤは、転送トランジスタ２１を介して、フローティングディフュージョンＦＤに接続されている。
フローティングディフュージョンＦＤは、増幅トランジスタ２３のゲートに接続されている。
増幅トランジスタ２３のソース・ドレインのうち、一方は電源配線Ｖｄｄに接続されており、他方は、選択トランジスタ２４のソース・ドレインのうちの一方に接続されている。
選択トランジスタ２４のソース・ドレインのうちの他方は、垂直信号線１１に接続されている。
フローティングディフュージョンＦＤとコンデンサＣは、スイッチトランジスタ２５を介して接続されている。即ち、スイッチトランジスタ２５のソース・ドレインのうち、一方はフローティングディフュージョンＦＤに接続されており、他方はコンデンサＣ及びリセットトランジスタ２２のソース・ドレインのうちの一方に接続されている。
リセットトランジスタ２２のソース・ドレインの他方は、電源配線Ｖｄｄに接続されている。
転送トランジスタ２１のゲートには転送パルスφＴｒｆが供給され、リセットトランジスタ２２のゲートにはリセットパルスφＲｓｔが供給され、選択トランジスタ２４のゲートには選択パルスφＳｅｌが供給される。また、スイッチトランジスタ２５のゲートにはスイッチパルスφＳｗが供給される。
なお、図２に示す画素１０の各トランジスタ２１〜２５は、全てＮＭＯＳトランジスタであり、キャリアとなる電荷は電子である。
【００１９】
増幅トランジスタ２３は、フローティングディフュージョンＦＤの電位に対応した信号（画像信号）を生成する。そして、選択トランジスタ２４がオン状態であれば、生成した信号（画像信号）を垂直信号線１１に出力する。
リセットトランジスタ２２は、オン状態となったときに、コンデンサＣ及びフローティングディフュージョンＦＤの電荷を電源配線Ｖｄｄに捨てることによって、コンデンサＣ及びフローティングディフュージョンＦＤをリセットする。
【００２０】
このような画素１０の構成自体は、従来から提案されている（例えば、特表２００９−５０５４９８号公報等を参照）。
【００２１】
次に、図２の画素１０を駆動する駆動パルスのタイミングチャートを、図３に示す。
選択パルスφＳｅｌをオン状態にすると、フローティングディフュージョンＦＤの電位を示す信号が垂直信号線１１に現れる。
スイッチパルスφＳｗとリセットパルスφＲｓｔとを、共にオン状態にすると、コンデンサＣとフローティングディフュージョンＦＤがリセットされる。リセットパルスφＲｓｔをオフ状態とすると、リセットレベルが垂直信号線１１に現れるので、これをカラム回路が取り込み、保持する。
【００２２】
ここで、図３において、実線で示す（１）スイッチパルスφＳｗをオンからオフにする場合と、破線で示す（２）スイッチパルスφＳｗをオンのままにしておく場合とがある。
（１）のスイッチパルスφＳｗをオンからオフにする場合には、フローティングディフュージョンＦＤは、コンデンサＣと切り離されるので、小さい容量を持つ。フローティングディフュージョンＦＤは、容量が小さいので、少ない電子で電位が大きく下がり、高ゲインとなる。このような観点で、感度の高い信号が出る。ただし、信号電子が多いときには、フローティングディフュージョンＦＤから溢れてしまうので、入射量に応じた本来の信号を得ることはできない。
（２）のスイッチパルスφＳｗをオンのままにしておく場合には、フローティングディフュージョンＦＤがコンデンサＣとつながり、大きい容量を持つ。容量が大きくなるので、多くの電子を受け止めることができる代りに、低ゲインとなり、感度が低くなる。
このように、スイッチトランジスタ２５に供給するスイッチパルスφＳｗを変えることによって、電荷を保持する部分の容量を切り替えて、電荷量と信号量との関係（変換ゲイン）を切り替えることができる。
【００２３】
その後、転送パルスφＴｒｆをオン状態とすると、フォトダイオードＰＤからフローティングディフュージョンＦＤに信号電子が転送され、フローティングディフュージョンＦＤの電位が下がる。それに応じて、垂直信号線１１の電位も下がるので、そのときの垂直信号線１１の信号レベルをカラム回路が取り込み、先に取り込んだリセットレベルとの差分を取って保持し、後のタイミングで出力する。
【００２４】
この構成の画素を使うことで、固体撮像装置の動作モードとして、高ゲインの動作モード、低ゲインの動作モード、ダイナミックレンジ拡大モードを実現できることが知られている。このうち、ダイナミックレンジ拡大モードでは、同じ画素から、高ゲインの信号の読み出しと、低ゲインの信号の読み出しとが行われて、これら２回読み出した信号が後段で合成される。
しかしながら、このダイナミックレンジ拡大モードでは、同じ画素から信号を２回読み出すため、動作が大きく変わってしまう、対応するカラム回路も複雑になる、フレームレートが半分に落ちる又はカラム回路が２倍必要、という代償を払うことになる。
つまり、ダイナミックレンジ拡大モードを使うためには、専用に設計した大掛かりな固体撮像装置が必要になる。
【００２５】
これに対して、本実施の形態では、ダイナミックレンジの拡大を行っていない従来の構成と大差がない、簡易な構成の固体撮像装置によって、ダイナミックレンジの拡大を実現する。
【００２６】
図１の固体撮像装置１００の画素部１１０の各画素１０への配線の概略構成図を、図４に示す。
図４において、垂直駆動回路１２０から出ている横方向の配線は、スイッチトランジスタＳｗのゲートを駆動する配線（以下、Ｓｗ配線と呼ぶ）１２である。なお、垂直駆動回路１２０から出ている横方向の配線としては、このＳｗ配線１２以外にも、リセットパルスφＲｓｔを供給する配線、転送パルスφＴｒｆを供給する配線、選択パルスφＳｅｌを供給する配線等があるが、図４では省略している。
縦方向の配線は、図２にも示した垂直信号線１１である。それぞれの垂直信号線１１は、各列の画素間に配置され、カラム処理回路１３０の対応する処理回路１３に接続されている。
【００２７】
画素部１１０では、画素１０が縦横にマトリクス状に２次元配列されている。
そして、画素１０は、白い四角形で示した画素１０Ａと、斜線を付した四角形で示した画素１０Ｂとが、市松状に各行各列とも交互に配置されている。
【００２８】
Ｓｗ配線１２は、図中下から、１２−１，１２−２，１２−３，１２−４，・・・と符号を付している。Ｓｗ配線１２は、図４では各行の画素間に配置されている。
それぞれのＳｗ配線１２（１２−１，１２−２，１２−３，１２−４，・・・）は、奇数列と偶数列とで、違う行の画素１０に接続されている。即ち、Ｓｗ配線１２は、左から奇数番目の列ではＳｗ配線１２の下の行の画素１０が接続され、偶数番目の列ではＳｗ配線１２の上の行の画素１０が接続されている。即ち、各行の画素において、左から奇数番目の画素と偶数番目の画素とが、交互にそれぞれ異なるＳｗ配線１２に接続されている。
さらに、下から奇数番目のＳｗ配線１２−１，１２−３，・・・には、白い四角形の画素１０Ａのみが接続されており、下から偶数番目のＳｗ配線１２−２，１２−４，・・・には、斜線を付した四角形の画素１０Ｂのみが接続されている。
【００２９】
なお、Ｓｗ配線１２以外の画素の駆動用の配線は、Ｓｗ配線１２と同じように１列毎に下の行の画素と上の行の画素と交互に接続されていても良いし、Ｓｗ配線１２とは異なり、単純に横一線に同一行の画素に接続されていても良い。
【００３０】
それぞれの垂直信号線１１は、奇数行と偶数行とで、違う列の画素１０に接続されている。即ち、垂直信号線１１は、下から奇数番目の行では垂直信号線１１の左の列の画素１０が接続され、下から偶数番目の行では垂直信号線１１の右の列の画素１０が接続されている。
さらに、左から奇数番目の垂直信号線１１には、白い四角形の画素１０Ａのみが接続されており、左から偶数番目の垂直信号線１１には、斜線を付した画素１０Ｂのみが接続されている。
【００３１】
図２〜図４に示した構成においては、以下に挙げる３つの動作が可能である。
（１）全てのＳｗ配線１２をＬｏｗレベル（図３のオフ状態）とすることにより、全ての画素が高ゲインで読み出される。
（２）全てのＳｗ配線１２をＨｉｇｈレベル（図３のオン状態）とすることにより、全ての画素が低ゲインで読み出される。
（３）奇数番目のＳｗ配線１２−１，１２−３，・・・をＨｉｇｈレベル（図３のオン状態）に固定して、偶数番目のＳｗ配線１２−２，１２−４，・・・をＬｏｗレベル（図３のオフ状態）に固定する。これにより、白い四角形の画素１０Ａは低ゲインで読み出され、斜線を付した四角形の画素１０Ｂは高ゲインで読み出される。
【００３２】
本実施の形態では、これらの動作のうち、（３）の動作によって、ダイナミックレンジを拡大する。
（３）の動作では、隣接する画素間の感度を異ならせているが、従来提案されていた隣接する画素間の感度を異ならせる構成のように、開口の大きさや透過率で光の利用効率を異ならせるのではなく、蓄積時間を異ならせるのでもない。
電磁波を電荷に変換する部分の構成、即ち、フォトダイオードＰＤや転送トランジスタ２１の構成は、隣接する画素で同一である。これにより、隣接する画素において、蓄積時間は同じであり、また、得られる電荷の量もほぼ同等である。
そして、（３）の動作では、フォトダイオードＰＤから読み出された電荷を保持する部分の容量を、大容量（ＦＤ＋Ｃ）或いは小容量（ＦＤのみ）というように、隣接する画素間で異ならせる。これにより、同じ画素でゲインを変えて２回の読み出しを行わなくても、各画素で１回の読み出しで隣接する画素においてゲインの異なる信号が得られる。
【００３３】
通常は、被写体の明度に応じて、（１）の動作及び（２）の動作で使用すれば、フル解像度の画像を撮像することができる。
そして、ダイナミックレンジの大きさを重視するときのみ、（３）の動作で使用することが可能である。
【００３４】
（３）の動作では、フォトダイオードＰＤでの蓄積時間は各画素で等しいため、手ぶれや被写体の動きに起因する、エッジの色ずれ等が起こらない。
また、同じ画素から信号を２回読み出すことがないため、専用に設計した大掛かりな固体撮像装置も必要ない。撮影シーンに応じて、（１）（２）（３）の各動作の間で動作を遷移させるのも容易である。
各行の画素は、奇数番目の画素と偶数番目の画素とが、交互にそれぞれ異なるＳｗ配線１２（例えば、１２−１と１２−２）に接続されていることによって、低ゲインと高ゲインの画素が縦横同じ解像度で入っている。
【００３５】
また、各列の画素は、奇数番目の画素と偶数番目の画素とが、交互にそれぞれ異なる垂直信号線１１に接続されている。これにより、カラム処理回路１３０の処理回路１３には、行毎に低ゲインの信号が入ったり高ゲインの信号が入ったりすることなく、毎回同じレベルの信号が入るので、最適化が容易である。
【００３６】
上述の本実施の形態の固体撮像装置１００によれば、隣接する画素１０Ａと画素１０Ｂとにおいて、電磁波を電荷に変換するフォトダイオードＰＤ及び転送トランジスタ２１の構成は同一であるが、変換ゲインを異ならせることが可能である。
そして、スイッチトランジスタ２５のゲートのオン・オフにより、電荷を保持する部分の容量を、大容量（ＦＤ＋Ｃ）と小容量（ＦＤのみ）とで切り替えることができる。
これにより、変換ゲインが高く感度の高い信号と、変換ゲインが低く感度の低い信号とを、隣接するそれぞれの画素で得ることができるので、ダイナミックレンジを拡大することができる。
そして、電荷を保持する部分の容量を切り替えて、変換ゲインを切り替えることにより、隣接する画素において、（１）及び（２）の動作では変換ゲインに差がない状態として、（３）の動作では変換ゲインが異なる状態とすることができる。
また、隣接する画素１０Ａと画素１０Ｂとにおいて、電磁波を電荷に変換するフォトダイオードＰＤ及び転送トランジスタ２１の構成は同一であるので、電荷の蓄積時間は同一になる。手振れがあったり、被写体に動きがあったりしても、色ずれを生じないようにすることができる。また、変換ゲインが低い画素において、得られる電荷は変換ゲインが高い画素と同様であり、充分な電荷が得られる。
【００３７】
また、本実施の形態によれば、同じ画素でゲインを変えて２回の読み出しを行わなくても、各画素で１回の読み出しで隣接する画素においてゲインの異なる信号が得られる。
これにより、専用に設計した大掛かりな固体撮像装置が不要であり、ダイナミックレンジの拡大を行っていない従来の構成と大差がない、簡易な構成の固体撮像装置１００によって、ダイナミックレンジの拡大を実現することができる。
【００３８】
＜２．第２の実施の形態（固体撮像装置）＞
次に、第２の実施の形態の固体撮像装置について説明する。
第２の実施の形態では、固体撮像装置の概略構成は、第１の実施の形態の固体撮像装置１００の図１に示した概略構成と同じであるが、画素部１１０において、２個の画素で増幅トランジスタやスイッチトランジスタ等を共有する。
【００３９】
第２の実施の形態の固体撮像装置の画素部１１０の画素の回路構成図を、図５に示す。
２個の画素において、フォトダイオードＰＤ１，ＰＤ２及び転送トランジスタ２１（Ｔｒｆ１，Ｔｒｆ２）は画素毎に配置されているが、フローティングディフュージョンＦＤ以降のトランジスタ２２，２３，２４，２５及びコンデンサＣは共有されている。
【００４０】
従来提案されている、複数個の画素で増幅トランジスタ等を共有する構成では、同じ行又は同じ列の画素や、２行２列の４画素で、増幅トランジスタ等を共有していた。
これに対して、本実施の形態では、第１の実施の形態と同様に、隣接する画素間で読み出された電荷を保持する部分の容量の大小でゲインを異ならせるために、増幅トランジスタ等を共有する画素の組み合わせを、従来とは違う組み合わせとする。
【００４１】
本実施の形態の固体撮像装置における、画素共有の組み合わせを、図６に示す。図６は、図４に示した第１の実施の形態の配線の概略構成図と、同じ構成に対して、共有させる画素の組み合わせの一部を付記して示している。
図６に示すように、左上と右下に斜めに隣接する、左から第１列で下から第５行の画素１０Ｂと、第２列で第６行の画素１０Ｂとを、共有する組み合わせとしている。また、左下と右上で斜めに隣接する、第２列で第５行の画素１０Ａと、第３列で第４行の画素１０Ａとを、共有する組み合わせとしている。他の画素についても同様に、斜めに隣接して並ぶ、画素１０Ａ同士、画素１０Ｂ同士を、共有する組合せとする。
なお、上述のように組み合わせていくと、画素部１１０の最も端の行や最も端の列の画素が余るが、それらの端の画素は、動作はしても出力信号が使われることのないダミー画素となる。
【００４２】
上述の本実施の形態によれば、先の実施の形態と同様に、隣接する画素１０Ａと画素１０Ｂとにおいて、電磁波を電荷に変換するフォトダイオードＰＤ及び転送トランジスタ２１の構成は同一であるが、変換ゲインを異ならせることが可能である。
そして、スイッチトランジスタ２５のゲートのオン・オフにより、電荷を保持する部分の容量を、大容量（ＦＤ＋Ｃ）と小容量（ＦＤのみ）とで切り替えることができる。
従って、先の実施の形態と同様に、ダイナミックレンジを拡大することができると共に、被写体に動きがあったりしても、色ずれを生じないようにすることができる。また、変換ゲインが低い画素において、得られる電荷は変換ゲインが高い画素と同様であり、充分な電荷が得られる。さらに、専用に設計した大掛かりな固体撮像装置が不要であり、ダイナミックレンジの拡大を行っていない従来の構成と大差がない、簡易な構成の固体撮像装置によって、ダイナミックレンジの拡大を実現することができる。
【００４３】
上述の実施の形態では、２つの画素で、ＦＤや増幅トランジスタ２２等を共有していたが、４つの画素で共有させることも可能である。
４つの画素で共有させる場合には、好ましくは、同じ２列の２画素×２で共有させる。
即ち、例えば、図６において、線で囲った第２列で第５行及び第３列で第４行の２つの画素１０Ａと、その同じ２列にある、第２列で第３行及び第３列で第２行の２つの画素１０Ａとの、合計４画素で、ＦＤや増幅トランジスタ２２等を共有させる。
画素１０Ｂについても、同様に同じ２列にある画素１０ＢとＦＤや増幅トランジスタ２２等を共有させる。
【００４４】
＜３．固体撮像装置の変形例＞
上述の各実施の形態では、同じ垂直信号線１１に対して、画素１０Ａのみ、或いは、画素１０Ｂのみが接続されており、垂直信号線１１は、奇数行と偶数行とで、違う列の画素１０に接続されていた。
これに対して、垂直信号線１１が同じ列の画素に接続されている構成とすることも、可能である。
その場合の画素部１１０の画素１０Ａ，１０Ｂの回路構成図を、図７に示す。
【００４５】
図７に示すように、垂直信号線１１が、同じ列の画素に接続されており、画素１０Ａと画素１０Ｂとに接続されている。
図７において、Ｓｗ配線１２と画素１０Ａ，１０Ｂとの接続は、図４と同様になっている。即ち、奇数番目のＳｗ配線１２−１，１２−３には画素１０Ａのみが接続され、偶数番目のＳｗ配線１２−２，１２−４には画素１０Ｂのみが接続されている。これにより、上述の各実施の形態と同様に、隣接する画素でゲインを異ならせてダイナミックレンジを拡大することが可能である。
【００４６】
垂直信号線１１と画素との接続を、図４に示したように右の列の画素と左の列の画素と交互に接続した場合には、図７に示したように接続した場合と比較して、最適化が容易である利点を有している。
これは、図４に示したように接続した場合、カラム処理回路１３０のそれぞれの行の処理回路１３に入る信号が、低ゲインの信号のみ、或いは、高ゲインの信号のみであり、毎回同じレベルの信号が処理回路１３に入るからである。
【００４７】
上述した各実施の形態では、スイッチトランジスタ２５のオン・オフにより、画素１０の変換ゲインを切り替えることが可能であった。
これに対して、各画素の変換ゲインを固定した構成とすることも可能である。例えば、スイッチトランジスタ及びＳｗ配線を設けないで、１つおきの画素のフローティングディフュージョンＦＤとリセットトランジスタとの間にコンデンサＣを接続すればよい。
この構成では、高解像度の動作とダイナミックレンジ拡大の動作との切り替えは行えないが、画素の蓄積時間を異ならせることなく、簡易な構成でダイナミックレンジを拡大することができる。
【００４８】
上述した各実施の形態では、フローティングディフュージョンＦＤの容量を変えることによって、変換ゲインを切り替える構成であった。
これに対して、容量を変える以外の構成により、変換ゲインを切り替えることも可能である。
例えば、カラム処理回路１３０には、ＡＤ変換する前のゲインをかける回路として、ゲイン段があるが、画素１０Ａと画素１０Ｂとでこのゲイン段を異ならせる、即ち、列毎にゲイン段を変えることにより、ゲインを変えることができる。
【００４９】
上述した各実施の形態では、画素１０（１０Ａ，１０Ｂ）が縦横にマトリクス状に配置され、垂直信号線１１が縦方向に延びており、Ｓｗ配線１２が横方向に延びている構成であった。
本技術は、画素が縦横にマトリクス状に配置されている構成には限定されず、画素が２次元配列されている、その他の構成にも適用することが可能である。
例えば、配線が斜めに配置された構成や、画素が矩形ではなくハニカム形状であって配線が画素に沿って左右に屈曲している構成、等にも本技術を適用することができる。
【００５０】
本技術は、光電変換部とロジック部とを積層するスタック型の構成にも適用することが可能である。回路構成が通常の固体撮像装置と同様の構成であれば、同様に本技術を適用することができる。
【００５１】
その他の構成であっても、画素毎にゲインを異ならせる構成であれば、同様の作用効果を発現できる。
【００５２】
＜４．第３の実施の形態（撮像装置）＞
第３の実施の形態の撮像装置の概略構成図（ブロック図）を、図８に示す。
図８に示すように、この撮像装置２００は、レンズ群等を含む光学系２０１、固体撮像装置２０２、カメラ信号処理回路であるＤＳＰ回路２０３、表示装置２０４、メモリ２０５、ＣＰＵ２０６、電源系２０７、操作系２０８を備えて成る。
【００５３】
光学系２０１は、被写体から入射する光等の電磁波を取り込み、固体撮像装置２０２の撮像面上に結像する。
固体撮像装置２０２は、光学系２０１によって撮像面上に結像された光等の電磁波の量を、画素単位で電気信号に変換して画素信号として出力する。
固体撮像装置２０２としては、前述した各実施の形態の固体撮像装置等、本技術に係る固体撮像装置を使用する。
表示装置２０４は、液晶表示装置や有機ＥＬ（electro luminescence）表示装置等のパネル型表示装置から成り、固体撮像装置２０２で撮像された動画又は静止画を表示する。
電源系２０７は、ＤＳＰ回路２０３、表示装置２０４、メモリ２０５、操作系２０８の動作電源となる各種の電源を、供給対象に対して適宜供給する。
操作系２０８は、ユーザによる操作のもとに、撮像装置２００の様々な機能についての操作指令を発する。
【００５４】
この撮像装置２００では、撮影者の意図によって、前述した（３）の動作を適用するかどうかを、外部から入力することにより、動作を切り替えることができる。
【００５５】
また、この撮像装置２００において、被写体の明るさをＤＳＰ２０３でモニタリングする構成とすれば、モニタリングの検出結果から、自動的に（１）〜（３）の動作のいずれにするかをＤＳＰ２０３において決定して、ゲインを設定することができる。
例えば、被写体の明度の差が小さいときには、明度に応じて（１）或いは（２）の動作を自動的に選択して、被写体の明度の差が大きいときには、前述した（３）の動作を自動的に選択することが可能である。
そして、ＤＳＰ２０３からの指令を固体撮像装置２０２が受け取って、固体撮像装置２０２内の制御回路（例えば、図１の固体撮像装置１００の制御回路１５０）で指示する。例えば、ＤＳＰ２０３は指示を受けて、（３）の動作のとき合成処理を行う。
【００５６】
なお、前述した、撮像者の意図によって動作を切り替える場合には、ＤＳＰ２０３だけではなく、操作系２０８とＣＰＵ２０６も関与する。どの動作を選択するかについての外部からの入力に対して、操作系２０８から入力の内容をＣＰＵ２０６に送って、ＣＰＵ２０６からＤＳＰ２０３に対して選択した動作を伝達する。
【００５７】
上述の本実施の形態の撮像装置２００の構成によれば、固体撮像装置２０２として、前述した各実施の形態の固体撮像装置等、本技術に係る固体撮像装置を使用することにより、色ずれを生じることなくダイナミックレンジを拡大することが可能である。また、変換ゲインが低い画素において、得られる電荷は変換ゲインが高い画素と同様であり、充分な電荷が得られる。さらに、専用に設計した大掛かりな固体撮像装置が不要であり、ダイナミックレンジの拡大を行っていない従来の構成と大差がない、簡易な構成の固体撮像装置２０２によって、ダイナミックレンジの拡大を実現することができる。
【００５８】
また、本実施の形態の撮像装置２００の構成によれば、通常のフル解像度の画を出すモードと、ダイナミックレンジ拡大モードとを、被写体の状態に応じて、自動的に、もしくは、撮像者の意図によって、選択することが可能である。
【００５９】
本技術において、撮像装置の構成は、図８に示した構成に限定されるものではなく、本技術に係る固体撮像装置を使用する構成であれば、図８に示した以外の構成とすることも可能である。
【００６０】
なお、本開示は以下のような構成も取ることができる。
（１）電磁波を電荷に変換し、電荷量に応じた信号を出力する画素と、前記画素が２次元配置され、隣接する前記画素において、前記電磁波を前記電荷に変換する部分の構成は同一であるが、電荷量と信号量との関係を異ならせることが可能である、画素部とを含む固体撮像装置。
（２）各前記画素において、前記電荷量と前記信号量との関係である変換ゲインを切り替えることが可能であり、隣接する画素において、前記変換ゲインに差が無い状態と前記変換ゲインが異なる状態とを切り替えることが可能である、前記（１）に記載の固体撮像装置。
（３）前記画素の電荷を保持する部分の容量を切り替えることによって、前記画素の前記変換ゲインが切り替えられる、前記（２）に記載の固体撮像装置。
（４）前記画素部は前記画素が縦横にマトリクス状に配置されており、各画素行に対応して設けられたスイッチ配線と、各前記画素に設けられ、前記スイッチ配線に接続された、前記容量を切り替えるためのスイッチトランジスタとをさらに含む、前記（３）に記載の固体撮像装置。
（５）各行の前記画素は、奇数番目の画素と偶数番目の画素とが、交互にそれぞれ異なる前記スイッチ配線に接続されている、前記（４）に記載の固体撮像装置。
（６）前記（１）から（５）のいずれかに記載の固体撮像装置と、前記固体撮像装置に入射光を導く光学系と、前記固体撮像装置の出力信号を処理する信号処理回路とを含む撮像装置。
（７）前記固体撮像装置の前記画素における前記電荷量と前記信号量との関係を、外部からの入力により切り替えることが可能である、前記（６）に記載の撮像装置。
【００６１】
本技術は、上述の実施の形態に限定されるものではなく、本技術の要旨を逸脱しない範囲でその他様々な構成が取り得る。
【符号の説明】
【００６２】
１０，１０Ａ，１０Ｂ 画素、１１ 垂直信号線、１２，１２−１，１２−２，１２−３，１２−４ Ｓｗ配線、１３ 処理回路、２１ 転送トランジスタ、２２ リセットトランジスタ、２３ 増幅トランジスタ、２４ 選択トランジスタ、２５ スイッチトランジスタ、１００，２０２ 固体撮像装置、１１０ 画素部、１２０ 垂直駆動回路、１３０ カラム処理回路、１４０ 出力回路、１５０ 制御回路、２００ 撮像装置、２０１ 光学系、２０３ ＤＳＰ回路、２０４ 表示装置、２０５ メモリ、２０６ ＣＰＵ、２０７ 電源系、２０８ 操作系、ＰＤ フォトダイオード、ＦＤ フローティングディフュージョン、Ｃ コンデンサ
【技術分野】
【０００１】
本技術は、固体撮像装置及び固体撮像装置を備えた撮像装置に係わる。
【背景技術】
【０００２】
ＣＭＯＳイメージセンサ（ＣＭＯＳ型固体撮像装置）においては、ダイナミックレンジを拡大する方法として、様々な方法が知られている。
そして、例えば、隣接する画素間で感度に差を与えることにより、ダイナミックレンジを拡大することが提案されている。
【０００３】
このように、隣接する画素間で感度に差を与えてダイナミックレンジを拡大する方法としては、以下の方法が知られている（例えば、特許文献１参照）。
第１の方法は、開口率や透過率を隣接する画素で異ならせることによって、光の利用効率を変えて、感度に差を与える方法である。
第２の方法は、蓄積時間を隣接する画素で異ならせることによって、感度に差を与える方法である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００５−３３２８８０号公報（［０００３］）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上述した２つの方法では、それぞれ以下に挙げるような問題点があった。
第１の方法では、２種類の感度とした場合に、実質的な画素数が１／２となり、その分解像度が下がる。そして、被写体の明度の差が少ない場合のように、ダイナミックレンジの拡大を必要としない場合でも、解像度が下がってしまう。また、開口率や透過率の小さい画素では、画素に入射する前までの損失が大きくなるため、被写体が暗い場合には得られる電荷が非常に少なくなる。
第２の方法では、手ぶれが生じていたり、被写体に動く物体が含まれていたりしたときに、エッジに色ずれ等が起こる。
【０００６】
本技術の目的は、色ずれを生じることなく、ダイナミックレンジの拡大を可能にする固体撮像装置及び固体撮像装置を備えた撮像装置を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本技術の固体撮像装置は、電磁波を電荷に変換し、電荷量に応じた信号を出力する画素を含む。また、画素が２次元配置され、隣接する画素において、電磁波を電荷に変換する部分の構成は同一であるが、電荷量と信号量との関係を異ならせることが可能である、画素部とを含む。
【０００８】
本技術の撮像装置は、上記本技術の固体撮像装置と、固体撮像装置に入射光を導く光学系と、固体撮像装置の出力信号を処理する信号処理回路とを含む。
【０００９】
上述の本技術の固体撮像装置の構成によれば、隣接する画素において、電磁波を電荷に変換する部分の構成は同一であるが、電荷量と信号量との関係を異ならせることが可能である構成となっている。
隣接する画素において、電荷量と信号量との関係（即ち、変換ゲイン）を異ならせることが可能であることから、変換ゲインが高く感度の高い信号と、変換ゲインが低く感度の低い信号とを、隣接するそれぞれの画素で得ることができる。これにより、ダイナミックレンジを拡大することができる。
一方、電磁波を電荷に変換する部分の構成は隣接する画素で同一であることから、隣接する画素で電荷の蓄積時間は同一になる。これにより、手振れがあったり、被写体に動きがあったりしても、色ずれを生じないようにすることができる。また、変換ゲインが低い画素において、得られる電荷は変換ゲインが高い画素と同様であり、充分な電荷が得られる。
【００１０】
上述の本技術の撮像装置の構成によれば、本技術の固体撮像装置を含むので、固体撮像装置において、色ずれを生じることなく、ダイナミックレンジを拡大することができる。
【発明の効果】
【００１１】
上述の本技術によれば、色ずれを生じることなく、ダイナミックレンジを拡大することができるので、ダイナミックレンジが大きく、画質の良好な固体撮像装置や撮像装置を実現することができる。
また、本技術によれば、同じ画素から信号を２回読み出す必要がなく、複雑な構成の固体撮像装置が不要であり、安価な構成でダイナミックレンジの拡大を実現することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】第１の実施の形態の固体撮像装置の概略構成図（ブロック図）である。
【図２】図１の画素部の画素の回路構成図である。
【図３】図２の画素を駆動する駆動パルスのタイミングチャートである。
【図４】図１の各画素への配線の概略構成図である。
【図５】第２の実施の形態の固体撮像装置の画素部の画素の回路構成図である。
【図６】第２の実施の形態の固体撮像装置における画素共有の組み合わせを示す図である。
【図７】固体撮像装置の変形例の各画素への配線の概略構成図である。
【図８】第３の実施の形態の撮像装置の概略構成図（ブロック図）である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、本技術を実施するための最良の形態（以下、実施の形態とする）について説明する。
なお、説明は以下の順序で行う。
１．第１の実施の形態（固体撮像装置）
２．第２の実施の形態（固体撮像装置）
３．固体撮像装置の変形例
４．第３の実施の形態（撮像装置）
【００１４】
＜１．第１の実施の形態（固体撮像装置）＞
第１の実施の形態の固体撮像装置の概略構成図（ブロック図）を、図１に示す。
図１に示すように、この固体撮像装置１００は、センサ部となる画素部１１０と、画素部１１０を駆動させる垂直駆動回路１２０と、カラム処理回路１３０と、出力回路１４０と、制御回路１５０とを有している。
【００１５】
画素部１１０は、入射した電磁波（光、電波等）を電荷に変換し、電荷の量に応じた信号を出力する画素が、多数２次元配置されて、構成される。
垂直駆動回路１２０は、画素部１１０の画素を駆動する。
カラム処理回路１３０は、１行分の画素からの画像信号を受けて、信号レベルとリセットレベルの差分をとり、さらに、アナログ／デジタル変換等を行う。
出力回路１４０は、カラム処理回路１３０からの画像信号を受けて、ゲインの調整や傷補正等を行って、外部に出力する。
制御回路１５０は、垂直駆動回路１２０、カラム処理回路１３０、出力回路１４０の各部に制御信号を送って、動作を制御する。
【００１６】
なお、画素部１１０の画素で電気信号に変換する電磁波は、通常の固体撮像装置では可視光線や紫外線や赤外線等の光であるが、図１の固体撮像装置１００のような本技術の固体撮像装置では、特に限定されるものではない。
本技術の固体撮像装置では、可視光線や紫外線や赤外線等の光、電離放射線、電波やマイクロ波等、様々な電磁波に対して、ある程度の波長範囲の電磁波を電気信号に変換する構成とすることができる。
【００１７】
次に、図１の固体撮像装置１００の画素部１１０の画素の回路構成図を、図２に示す。
図２に示す画素１０は、従来の４トランジスタを有する画素と同様の回路素子を有している。即ち、フォトダイオードＰＤと、転送トランジスタ２１と、フローティングディフュージョンＦＤと、リセットトランジスタ２２と、増幅トランジスタ２３と、選択トランジスタ２４とを有して、画素１０が構成されている。
図２に示す画素１０は、さらに、フローティングディフュージョンＦＤとリセットトランジスタ２２との間に、コンデンサＣ及びスイッチトランジスタ２５を有している。
【００１８】
光電変換素子であるフォトダイオードＰＤは、転送トランジスタ２１を介して、フローティングディフュージョンＦＤに接続されている。
フローティングディフュージョンＦＤは、増幅トランジスタ２３のゲートに接続されている。
増幅トランジスタ２３のソース・ドレインのうち、一方は電源配線Ｖｄｄに接続されており、他方は、選択トランジスタ２４のソース・ドレインのうちの一方に接続されている。
選択トランジスタ２４のソース・ドレインのうちの他方は、垂直信号線１１に接続されている。
フローティングディフュージョンＦＤとコンデンサＣは、スイッチトランジスタ２５を介して接続されている。即ち、スイッチトランジスタ２５のソース・ドレインのうち、一方はフローティングディフュージョンＦＤに接続されており、他方はコンデンサＣ及びリセットトランジスタ２２のソース・ドレインのうちの一方に接続されている。
リセットトランジスタ２２のソース・ドレインの他方は、電源配線Ｖｄｄに接続されている。
転送トランジスタ２１のゲートには転送パルスφＴｒｆが供給され、リセットトランジスタ２２のゲートにはリセットパルスφＲｓｔが供給され、選択トランジスタ２４のゲートには選択パルスφＳｅｌが供給される。また、スイッチトランジスタ２５のゲートにはスイッチパルスφＳｗが供給される。
なお、図２に示す画素１０の各トランジスタ２１〜２５は、全てＮＭＯＳトランジスタであり、キャリアとなる電荷は電子である。
【００１９】
増幅トランジスタ２３は、フローティングディフュージョンＦＤの電位に対応した信号（画像信号）を生成する。そして、選択トランジスタ２４がオン状態であれば、生成した信号（画像信号）を垂直信号線１１に出力する。
リセットトランジスタ２２は、オン状態となったときに、コンデンサＣ及びフローティングディフュージョンＦＤの電荷を電源配線Ｖｄｄに捨てることによって、コンデンサＣ及びフローティングディフュージョンＦＤをリセットする。
【００２０】
このような画素１０の構成自体は、従来から提案されている（例えば、特表２００９−５０５４９８号公報等を参照）。
【００２１】
次に、図２の画素１０を駆動する駆動パルスのタイミングチャートを、図３に示す。
選択パルスφＳｅｌをオン状態にすると、フローティングディフュージョンＦＤの電位を示す信号が垂直信号線１１に現れる。
スイッチパルスφＳｗとリセットパルスφＲｓｔとを、共にオン状態にすると、コンデンサＣとフローティングディフュージョンＦＤがリセットされる。リセットパルスφＲｓｔをオフ状態とすると、リセットレベルが垂直信号線１１に現れるので、これをカラム回路が取り込み、保持する。
【００２２】
ここで、図３において、実線で示す（１）スイッチパルスφＳｗをオンからオフにする場合と、破線で示す（２）スイッチパルスφＳｗをオンのままにしておく場合とがある。
（１）のスイッチパルスφＳｗをオンからオフにする場合には、フローティングディフュージョンＦＤは、コンデンサＣと切り離されるので、小さい容量を持つ。フローティングディフュージョンＦＤは、容量が小さいので、少ない電子で電位が大きく下がり、高ゲインとなる。このような観点で、感度の高い信号が出る。ただし、信号電子が多いときには、フローティングディフュージョンＦＤから溢れてしまうので、入射量に応じた本来の信号を得ることはできない。
（２）のスイッチパルスφＳｗをオンのままにしておく場合には、フローティングディフュージョンＦＤがコンデンサＣとつながり、大きい容量を持つ。容量が大きくなるので、多くの電子を受け止めることができる代りに、低ゲインとなり、感度が低くなる。
このように、スイッチトランジスタ２５に供給するスイッチパルスφＳｗを変えることによって、電荷を保持する部分の容量を切り替えて、電荷量と信号量との関係（変換ゲイン）を切り替えることができる。
【００２３】
その後、転送パルスφＴｒｆをオン状態とすると、フォトダイオードＰＤからフローティングディフュージョンＦＤに信号電子が転送され、フローティングディフュージョンＦＤの電位が下がる。それに応じて、垂直信号線１１の電位も下がるので、そのときの垂直信号線１１の信号レベルをカラム回路が取り込み、先に取り込んだリセットレベルとの差分を取って保持し、後のタイミングで出力する。
【００２４】
この構成の画素を使うことで、固体撮像装置の動作モードとして、高ゲインの動作モード、低ゲインの動作モード、ダイナミックレンジ拡大モードを実現できることが知られている。このうち、ダイナミックレンジ拡大モードでは、同じ画素から、高ゲインの信号の読み出しと、低ゲインの信号の読み出しとが行われて、これら２回読み出した信号が後段で合成される。
しかしながら、このダイナミックレンジ拡大モードでは、同じ画素から信号を２回読み出すため、動作が大きく変わってしまう、対応するカラム回路も複雑になる、フレームレートが半分に落ちる又はカラム回路が２倍必要、という代償を払うことになる。
つまり、ダイナミックレンジ拡大モードを使うためには、専用に設計した大掛かりな固体撮像装置が必要になる。
【００２５】
これに対して、本実施の形態では、ダイナミックレンジの拡大を行っていない従来の構成と大差がない、簡易な構成の固体撮像装置によって、ダイナミックレンジの拡大を実現する。
【００２６】
図１の固体撮像装置１００の画素部１１０の各画素１０への配線の概略構成図を、図４に示す。
図４において、垂直駆動回路１２０から出ている横方向の配線は、スイッチトランジスタＳｗのゲートを駆動する配線（以下、Ｓｗ配線と呼ぶ）１２である。なお、垂直駆動回路１２０から出ている横方向の配線としては、このＳｗ配線１２以外にも、リセットパルスφＲｓｔを供給する配線、転送パルスφＴｒｆを供給する配線、選択パルスφＳｅｌを供給する配線等があるが、図４では省略している。
縦方向の配線は、図２にも示した垂直信号線１１である。それぞれの垂直信号線１１は、各列の画素間に配置され、カラム処理回路１３０の対応する処理回路１３に接続されている。
【００２７】
画素部１１０では、画素１０が縦横にマトリクス状に２次元配列されている。
そして、画素１０は、白い四角形で示した画素１０Ａと、斜線を付した四角形で示した画素１０Ｂとが、市松状に各行各列とも交互に配置されている。
【００２８】
Ｓｗ配線１２は、図中下から、１２−１，１２−２，１２−３，１２−４，・・・と符号を付している。Ｓｗ配線１２は、図４では各行の画素間に配置されている。
それぞれのＳｗ配線１２（１２−１，１２−２，１２−３，１２−４，・・・）は、奇数列と偶数列とで、違う行の画素１０に接続されている。即ち、Ｓｗ配線１２は、左から奇数番目の列ではＳｗ配線１２の下の行の画素１０が接続され、偶数番目の列ではＳｗ配線１２の上の行の画素１０が接続されている。即ち、各行の画素において、左から奇数番目の画素と偶数番目の画素とが、交互にそれぞれ異なるＳｗ配線１２に接続されている。
さらに、下から奇数番目のＳｗ配線１２−１，１２−３，・・・には、白い四角形の画素１０Ａのみが接続されており、下から偶数番目のＳｗ配線１２−２，１２−４，・・・には、斜線を付した四角形の画素１０Ｂのみが接続されている。
【００２９】
なお、Ｓｗ配線１２以外の画素の駆動用の配線は、Ｓｗ配線１２と同じように１列毎に下の行の画素と上の行の画素と交互に接続されていても良いし、Ｓｗ配線１２とは異なり、単純に横一線に同一行の画素に接続されていても良い。
【００３０】
それぞれの垂直信号線１１は、奇数行と偶数行とで、違う列の画素１０に接続されている。即ち、垂直信号線１１は、下から奇数番目の行では垂直信号線１１の左の列の画素１０が接続され、下から偶数番目の行では垂直信号線１１の右の列の画素１０が接続されている。
さらに、左から奇数番目の垂直信号線１１には、白い四角形の画素１０Ａのみが接続されており、左から偶数番目の垂直信号線１１には、斜線を付した画素１０Ｂのみが接続されている。
【００３１】
図２〜図４に示した構成においては、以下に挙げる３つの動作が可能である。
（１）全てのＳｗ配線１２をＬｏｗレベル（図３のオフ状態）とすることにより、全ての画素が高ゲインで読み出される。
（２）全てのＳｗ配線１２をＨｉｇｈレベル（図３のオン状態）とすることにより、全ての画素が低ゲインで読み出される。
（３）奇数番目のＳｗ配線１２−１，１２−３，・・・をＨｉｇｈレベル（図３のオン状態）に固定して、偶数番目のＳｗ配線１２−２，１２−４，・・・をＬｏｗレベル（図３のオフ状態）に固定する。これにより、白い四角形の画素１０Ａは低ゲインで読み出され、斜線を付した四角形の画素１０Ｂは高ゲインで読み出される。
【００３２】
本実施の形態では、これらの動作のうち、（３）の動作によって、ダイナミックレンジを拡大する。
（３）の動作では、隣接する画素間の感度を異ならせているが、従来提案されていた隣接する画素間の感度を異ならせる構成のように、開口の大きさや透過率で光の利用効率を異ならせるのではなく、蓄積時間を異ならせるのでもない。
電磁波を電荷に変換する部分の構成、即ち、フォトダイオードＰＤや転送トランジスタ２１の構成は、隣接する画素で同一である。これにより、隣接する画素において、蓄積時間は同じであり、また、得られる電荷の量もほぼ同等である。
そして、（３）の動作では、フォトダイオードＰＤから読み出された電荷を保持する部分の容量を、大容量（ＦＤ＋Ｃ）或いは小容量（ＦＤのみ）というように、隣接する画素間で異ならせる。これにより、同じ画素でゲインを変えて２回の読み出しを行わなくても、各画素で１回の読み出しで隣接する画素においてゲインの異なる信号が得られる。
【００３３】
通常は、被写体の明度に応じて、（１）の動作及び（２）の動作で使用すれば、フル解像度の画像を撮像することができる。
そして、ダイナミックレンジの大きさを重視するときのみ、（３）の動作で使用することが可能である。
【００３４】
（３）の動作では、フォトダイオードＰＤでの蓄積時間は各画素で等しいため、手ぶれや被写体の動きに起因する、エッジの色ずれ等が起こらない。
また、同じ画素から信号を２回読み出すことがないため、専用に設計した大掛かりな固体撮像装置も必要ない。撮影シーンに応じて、（１）（２）（３）の各動作の間で動作を遷移させるのも容易である。
各行の画素は、奇数番目の画素と偶数番目の画素とが、交互にそれぞれ異なるＳｗ配線１２（例えば、１２−１と１２−２）に接続されていることによって、低ゲインと高ゲインの画素が縦横同じ解像度で入っている。
【００３５】
また、各列の画素は、奇数番目の画素と偶数番目の画素とが、交互にそれぞれ異なる垂直信号線１１に接続されている。これにより、カラム処理回路１３０の処理回路１３には、行毎に低ゲインの信号が入ったり高ゲインの信号が入ったりすることなく、毎回同じレベルの信号が入るので、最適化が容易である。
【００３６】
上述の本実施の形態の固体撮像装置１００によれば、隣接する画素１０Ａと画素１０Ｂとにおいて、電磁波を電荷に変換するフォトダイオードＰＤ及び転送トランジスタ２１の構成は同一であるが、変換ゲインを異ならせることが可能である。
そして、スイッチトランジスタ２５のゲートのオン・オフにより、電荷を保持する部分の容量を、大容量（ＦＤ＋Ｃ）と小容量（ＦＤのみ）とで切り替えることができる。
これにより、変換ゲインが高く感度の高い信号と、変換ゲインが低く感度の低い信号とを、隣接するそれぞれの画素で得ることができるので、ダイナミックレンジを拡大することができる。
そして、電荷を保持する部分の容量を切り替えて、変換ゲインを切り替えることにより、隣接する画素において、（１）及び（２）の動作では変換ゲインに差がない状態として、（３）の動作では変換ゲインが異なる状態とすることができる。
また、隣接する画素１０Ａと画素１０Ｂとにおいて、電磁波を電荷に変換するフォトダイオードＰＤ及び転送トランジスタ２１の構成は同一であるので、電荷の蓄積時間は同一になる。手振れがあったり、被写体に動きがあったりしても、色ずれを生じないようにすることができる。また、変換ゲインが低い画素において、得られる電荷は変換ゲインが高い画素と同様であり、充分な電荷が得られる。
【００３７】
また、本実施の形態によれば、同じ画素でゲインを変えて２回の読み出しを行わなくても、各画素で１回の読み出しで隣接する画素においてゲインの異なる信号が得られる。
これにより、専用に設計した大掛かりな固体撮像装置が不要であり、ダイナミックレンジの拡大を行っていない従来の構成と大差がない、簡易な構成の固体撮像装置１００によって、ダイナミックレンジの拡大を実現することができる。
【００３８】
＜２．第２の実施の形態（固体撮像装置）＞
次に、第２の実施の形態の固体撮像装置について説明する。
第２の実施の形態では、固体撮像装置の概略構成は、第１の実施の形態の固体撮像装置１００の図１に示した概略構成と同じであるが、画素部１１０において、２個の画素で増幅トランジスタやスイッチトランジスタ等を共有する。
【００３９】
第２の実施の形態の固体撮像装置の画素部１１０の画素の回路構成図を、図５に示す。
２個の画素において、フォトダイオードＰＤ１，ＰＤ２及び転送トランジスタ２１（Ｔｒｆ１，Ｔｒｆ２）は画素毎に配置されているが、フローティングディフュージョンＦＤ以降のトランジスタ２２，２３，２４，２５及びコンデンサＣは共有されている。
【００４０】
従来提案されている、複数個の画素で増幅トランジスタ等を共有する構成では、同じ行又は同じ列の画素や、２行２列の４画素で、増幅トランジスタ等を共有していた。
これに対して、本実施の形態では、第１の実施の形態と同様に、隣接する画素間で読み出された電荷を保持する部分の容量の大小でゲインを異ならせるために、増幅トランジスタ等を共有する画素の組み合わせを、従来とは違う組み合わせとする。
【００４１】
本実施の形態の固体撮像装置における、画素共有の組み合わせを、図６に示す。図６は、図４に示した第１の実施の形態の配線の概略構成図と、同じ構成に対して、共有させる画素の組み合わせの一部を付記して示している。
図６に示すように、左上と右下に斜めに隣接する、左から第１列で下から第５行の画素１０Ｂと、第２列で第６行の画素１０Ｂとを、共有する組み合わせとしている。また、左下と右上で斜めに隣接する、第２列で第５行の画素１０Ａと、第３列で第４行の画素１０Ａとを、共有する組み合わせとしている。他の画素についても同様に、斜めに隣接して並ぶ、画素１０Ａ同士、画素１０Ｂ同士を、共有する組合せとする。
なお、上述のように組み合わせていくと、画素部１１０の最も端の行や最も端の列の画素が余るが、それらの端の画素は、動作はしても出力信号が使われることのないダミー画素となる。
【００４２】
上述の本実施の形態によれば、先の実施の形態と同様に、隣接する画素１０Ａと画素１０Ｂとにおいて、電磁波を電荷に変換するフォトダイオードＰＤ及び転送トランジスタ２１の構成は同一であるが、変換ゲインを異ならせることが可能である。
そして、スイッチトランジスタ２５のゲートのオン・オフにより、電荷を保持する部分の容量を、大容量（ＦＤ＋Ｃ）と小容量（ＦＤのみ）とで切り替えることができる。
従って、先の実施の形態と同様に、ダイナミックレンジを拡大することができると共に、被写体に動きがあったりしても、色ずれを生じないようにすることができる。また、変換ゲインが低い画素において、得られる電荷は変換ゲインが高い画素と同様であり、充分な電荷が得られる。さらに、専用に設計した大掛かりな固体撮像装置が不要であり、ダイナミックレンジの拡大を行っていない従来の構成と大差がない、簡易な構成の固体撮像装置によって、ダイナミックレンジの拡大を実現することができる。
【００４３】
上述の実施の形態では、２つの画素で、ＦＤや増幅トランジスタ２２等を共有していたが、４つの画素で共有させることも可能である。
４つの画素で共有させる場合には、好ましくは、同じ２列の２画素×２で共有させる。
即ち、例えば、図６において、線で囲った第２列で第５行及び第３列で第４行の２つの画素１０Ａと、その同じ２列にある、第２列で第３行及び第３列で第２行の２つの画素１０Ａとの、合計４画素で、ＦＤや増幅トランジスタ２２等を共有させる。
画素１０Ｂについても、同様に同じ２列にある画素１０ＢとＦＤや増幅トランジスタ２２等を共有させる。
【００４４】
＜３．固体撮像装置の変形例＞
上述の各実施の形態では、同じ垂直信号線１１に対して、画素１０Ａのみ、或いは、画素１０Ｂのみが接続されており、垂直信号線１１は、奇数行と偶数行とで、違う列の画素１０に接続されていた。
これに対して、垂直信号線１１が同じ列の画素に接続されている構成とすることも、可能である。
その場合の画素部１１０の画素１０Ａ，１０Ｂの回路構成図を、図７に示す。
【００４５】
図７に示すように、垂直信号線１１が、同じ列の画素に接続されており、画素１０Ａと画素１０Ｂとに接続されている。
図７において、Ｓｗ配線１２と画素１０Ａ，１０Ｂとの接続は、図４と同様になっている。即ち、奇数番目のＳｗ配線１２−１，１２−３には画素１０Ａのみが接続され、偶数番目のＳｗ配線１２−２，１２−４には画素１０Ｂのみが接続されている。これにより、上述の各実施の形態と同様に、隣接する画素でゲインを異ならせてダイナミックレンジを拡大することが可能である。
【００４６】
垂直信号線１１と画素との接続を、図４に示したように右の列の画素と左の列の画素と交互に接続した場合には、図７に示したように接続した場合と比較して、最適化が容易である利点を有している。
これは、図４に示したように接続した場合、カラム処理回路１３０のそれぞれの行の処理回路１３に入る信号が、低ゲインの信号のみ、或いは、高ゲインの信号のみであり、毎回同じレベルの信号が処理回路１３に入るからである。
【００４７】
上述した各実施の形態では、スイッチトランジスタ２５のオン・オフにより、画素１０の変換ゲインを切り替えることが可能であった。
これに対して、各画素の変換ゲインを固定した構成とすることも可能である。例えば、スイッチトランジスタ及びＳｗ配線を設けないで、１つおきの画素のフローティングディフュージョンＦＤとリセットトランジスタとの間にコンデンサＣを接続すればよい。
この構成では、高解像度の動作とダイナミックレンジ拡大の動作との切り替えは行えないが、画素の蓄積時間を異ならせることなく、簡易な構成でダイナミックレンジを拡大することができる。
【００４８】
上述した各実施の形態では、フローティングディフュージョンＦＤの容量を変えることによって、変換ゲインを切り替える構成であった。
これに対して、容量を変える以外の構成により、変換ゲインを切り替えることも可能である。
例えば、カラム処理回路１３０には、ＡＤ変換する前のゲインをかける回路として、ゲイン段があるが、画素１０Ａと画素１０Ｂとでこのゲイン段を異ならせる、即ち、列毎にゲイン段を変えることにより、ゲインを変えることができる。
【００４９】
上述した各実施の形態では、画素１０（１０Ａ，１０Ｂ）が縦横にマトリクス状に配置され、垂直信号線１１が縦方向に延びており、Ｓｗ配線１２が横方向に延びている構成であった。
本技術は、画素が縦横にマトリクス状に配置されている構成には限定されず、画素が２次元配列されている、その他の構成にも適用することが可能である。
例えば、配線が斜めに配置された構成や、画素が矩形ではなくハニカム形状であって配線が画素に沿って左右に屈曲している構成、等にも本技術を適用することができる。
【００５０】
本技術は、光電変換部とロジック部とを積層するスタック型の構成にも適用することが可能である。回路構成が通常の固体撮像装置と同様の構成であれば、同様に本技術を適用することができる。
【００５１】
その他の構成であっても、画素毎にゲインを異ならせる構成であれば、同様の作用効果を発現できる。
【００５２】
＜４．第３の実施の形態（撮像装置）＞
第３の実施の形態の撮像装置の概略構成図（ブロック図）を、図８に示す。
図８に示すように、この撮像装置２００は、レンズ群等を含む光学系２０１、固体撮像装置２０２、カメラ信号処理回路であるＤＳＰ回路２０３、表示装置２０４、メモリ２０５、ＣＰＵ２０６、電源系２０７、操作系２０８を備えて成る。
【００５３】
光学系２０１は、被写体から入射する光等の電磁波を取り込み、固体撮像装置２０２の撮像面上に結像する。
固体撮像装置２０２は、光学系２０１によって撮像面上に結像された光等の電磁波の量を、画素単位で電気信号に変換して画素信号として出力する。
固体撮像装置２０２としては、前述した各実施の形態の固体撮像装置等、本技術に係る固体撮像装置を使用する。
表示装置２０４は、液晶表示装置や有機ＥＬ（electro luminescence）表示装置等のパネル型表示装置から成り、固体撮像装置２０２で撮像された動画又は静止画を表示する。
電源系２０７は、ＤＳＰ回路２０３、表示装置２０４、メモリ２０５、操作系２０８の動作電源となる各種の電源を、供給対象に対して適宜供給する。
操作系２０８は、ユーザによる操作のもとに、撮像装置２００の様々な機能についての操作指令を発する。
【００５４】
この撮像装置２００では、撮影者の意図によって、前述した（３）の動作を適用するかどうかを、外部から入力することにより、動作を切り替えることができる。
【００５５】
また、この撮像装置２００において、被写体の明るさをＤＳＰ２０３でモニタリングする構成とすれば、モニタリングの検出結果から、自動的に（１）〜（３）の動作のいずれにするかをＤＳＰ２０３において決定して、ゲインを設定することができる。
例えば、被写体の明度の差が小さいときには、明度に応じて（１）或いは（２）の動作を自動的に選択して、被写体の明度の差が大きいときには、前述した（３）の動作を自動的に選択することが可能である。
そして、ＤＳＰ２０３からの指令を固体撮像装置２０２が受け取って、固体撮像装置２０２内の制御回路（例えば、図１の固体撮像装置１００の制御回路１５０）で指示する。例えば、ＤＳＰ２０３は指示を受けて、（３）の動作のとき合成処理を行う。
【００５６】
なお、前述した、撮像者の意図によって動作を切り替える場合には、ＤＳＰ２０３だけではなく、操作系２０８とＣＰＵ２０６も関与する。どの動作を選択するかについての外部からの入力に対して、操作系２０８から入力の内容をＣＰＵ２０６に送って、ＣＰＵ２０６からＤＳＰ２０３に対して選択した動作を伝達する。
【００５７】
上述の本実施の形態の撮像装置２００の構成によれば、固体撮像装置２０２として、前述した各実施の形態の固体撮像装置等、本技術に係る固体撮像装置を使用することにより、色ずれを生じることなくダイナミックレンジを拡大することが可能である。また、変換ゲインが低い画素において、得られる電荷は変換ゲインが高い画素と同様であり、充分な電荷が得られる。さらに、専用に設計した大掛かりな固体撮像装置が不要であり、ダイナミックレンジの拡大を行っていない従来の構成と大差がない、簡易な構成の固体撮像装置２０２によって、ダイナミックレンジの拡大を実現することができる。
【００５８】
また、本実施の形態の撮像装置２００の構成によれば、通常のフル解像度の画を出すモードと、ダイナミックレンジ拡大モードとを、被写体の状態に応じて、自動的に、もしくは、撮像者の意図によって、選択することが可能である。
【００５９】
本技術において、撮像装置の構成は、図８に示した構成に限定されるものではなく、本技術に係る固体撮像装置を使用する構成であれば、図８に示した以外の構成とすることも可能である。
【００６０】
なお、本開示は以下のような構成も取ることができる。
（１）電磁波を電荷に変換し、電荷量に応じた信号を出力する画素と、前記画素が２次元配置され、隣接する前記画素において、前記電磁波を前記電荷に変換する部分の構成は同一であるが、電荷量と信号量との関係を異ならせることが可能である、画素部とを含む固体撮像装置。
（２）各前記画素において、前記電荷量と前記信号量との関係である変換ゲインを切り替えることが可能であり、隣接する画素において、前記変換ゲインに差が無い状態と前記変換ゲインが異なる状態とを切り替えることが可能である、前記（１）に記載の固体撮像装置。
（３）前記画素の電荷を保持する部分の容量を切り替えることによって、前記画素の前記変換ゲインが切り替えられる、前記（２）に記載の固体撮像装置。
（４）前記画素部は前記画素が縦横にマトリクス状に配置されており、各画素行に対応して設けられたスイッチ配線と、各前記画素に設けられ、前記スイッチ配線に接続された、前記容量を切り替えるためのスイッチトランジスタとをさらに含む、前記（３）に記載の固体撮像装置。
（５）各行の前記画素は、奇数番目の画素と偶数番目の画素とが、交互にそれぞれ異なる前記スイッチ配線に接続されている、前記（４）に記載の固体撮像装置。
（６）前記（１）から（５）のいずれかに記載の固体撮像装置と、前記固体撮像装置に入射光を導く光学系と、前記固体撮像装置の出力信号を処理する信号処理回路とを含む撮像装置。
（７）前記固体撮像装置の前記画素における前記電荷量と前記信号量との関係を、外部からの入力により切り替えることが可能である、前記（６）に記載の撮像装置。
【００６１】
本技術は、上述の実施の形態に限定されるものではなく、本技術の要旨を逸脱しない範囲でその他様々な構成が取り得る。
【符号の説明】
【００６２】
１０，１０Ａ，１０Ｂ 画素、１１ 垂直信号線、１２，１２−１，１２−２，１２−３，１２−４ Ｓｗ配線、１３ 処理回路、２１ 転送トランジスタ、２２ リセットトランジスタ、２３ 増幅トランジスタ、２４ 選択トランジスタ、２５ スイッチトランジスタ、１００，２０２ 固体撮像装置、１１０ 画素部、１２０ 垂直駆動回路、１３０ カラム処理回路、１４０ 出力回路、１５０ 制御回路、２００ 撮像装置、２０１ 光学系、２０３ ＤＳＰ回路、２０４ 表示装置、２０５ メモリ、２０６ ＣＰＵ、２０７ 電源系、２０８ 操作系、ＰＤ フォトダイオード、ＦＤ フローティングディフュージョン、Ｃ コンデンサ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電磁波を電荷に変換し、電荷量に応じた信号を出力する画素と、
前記画素が２次元配置され、隣接する前記画素において、前記電磁波を前記電荷に変換する部分の構成は同一であるが、電荷量と信号量との関係を異ならせることが可能である、画素部とを含む
固体撮像装置。
【請求項２】
各前記画素において、前記電荷量と前記信号量との関係である変換ゲインを切り替えることが可能であり、隣接する画素において、前記変換ゲインに差が無い状態と前記変換ゲインが異なる状態とを切り替えることが可能である、請求項１に記載の固体撮像装置。
【請求項３】
前記画素の電荷を保持する部分の容量を切り替えることによって、前記画素の前記変換ゲインが切り替えられる、請求項２に記載の固体撮像装置。
【請求項４】
前記画素部は前記画素が縦横にマトリクス状に配置されており、各画素行に対応して設けられたスイッチ配線と、各前記画素に設けられ、前記スイッチ配線に接続された、前記容量を切り替えるためのスイッチトランジスタとをさらに含む、請求項３に記載の固体撮像装置。
【請求項５】
各行の前記画素は、奇数番目の画素と偶数番目の画素とが、交互にそれぞれ異なる前記スイッチ配線に接続されている、請求項４に記載の固体撮像装置。
【請求項６】
電磁波を電荷に変換し、電荷量に応じた信号を出力する画素と、前記画素が２次元配置され、隣接する前記画素において、前記電磁波を前記電荷に変換する部分の構成は同一であるが、電荷量と信号量との関係を異ならせることが可能である、画素部とを含む固体撮像装置と、
前記固体撮像装置に入射光を導く光学系と、
前記固体撮像装置の出力信号を処理する信号処理回路とを含む
撮像装置。
【請求項７】
前記固体撮像装置の前記画素における前記電荷量と前記信号量との関係を、外部からの入力により切り替えることが可能である、請求項６に記載の撮像装置。
【請求項１】
電磁波を電荷に変換し、電荷量に応じた信号を出力する画素と、
前記画素が２次元配置され、隣接する前記画素において、前記電磁波を前記電荷に変換する部分の構成は同一であるが、電荷量と信号量との関係を異ならせることが可能である、画素部とを含む
固体撮像装置。
【請求項２】
各前記画素において、前記電荷量と前記信号量との関係である変換ゲインを切り替えることが可能であり、隣接する画素において、前記変換ゲインに差が無い状態と前記変換ゲインが異なる状態とを切り替えることが可能である、請求項１に記載の固体撮像装置。
【請求項３】
前記画素の電荷を保持する部分の容量を切り替えることによって、前記画素の前記変換ゲインが切り替えられる、請求項２に記載の固体撮像装置。
【請求項４】
前記画素部は前記画素が縦横にマトリクス状に配置されており、各画素行に対応して設けられたスイッチ配線と、各前記画素に設けられ、前記スイッチ配線に接続された、前記容量を切り替えるためのスイッチトランジスタとをさらに含む、請求項３に記載の固体撮像装置。
【請求項５】
各行の前記画素は、奇数番目の画素と偶数番目の画素とが、交互にそれぞれ異なる前記スイッチ配線に接続されている、請求項４に記載の固体撮像装置。
【請求項６】
電磁波を電荷に変換し、電荷量に応じた信号を出力する画素と、前記画素が２次元配置され、隣接する前記画素において、前記電磁波を前記電荷に変換する部分の構成は同一であるが、電荷量と信号量との関係を異ならせることが可能である、画素部とを含む固体撮像装置と、
前記固体撮像装置に入射光を導く光学系と、
前記固体撮像装置の出力信号を処理する信号処理回路とを含む
撮像装置。
【請求項７】
前記固体撮像装置の前記画素における前記電荷量と前記信号量との関係を、外部からの入力により切り替えることが可能である、請求項６に記載の撮像装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【公開番号】特開２０１３−３４０４５（Ｐ２０１３−３４０４５Ａ）
【公開日】平成２５年２月１４日（２０１３．２．１４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１６８０２０（Ｐ２０１１−１６８０２０）
【出願日】平成２３年８月１日（２０１１．８．１）
【出願人】（０００００２１８５）ソニー株式会社 (34,172)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年２月１４日（２０１３．２．１４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年８月１日（２０１１．８．１）
【出願人】（０００００２１８５）ソニー株式会社 (34,172)
【Ｆターム（参考）】
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