固体撮像装置および固体撮像システム
【課題】被写体の動きを容易に検知することができる固体撮像装置を提供する。
【解決手段】第１の画素１３ａ、第２の画素１３ｂ、および単位セルの出力回路１７を有する。第１の画素１３ａは、第１の信号電荷を発生させる第１のフォトダイオード１１ａ、および第１のフォトダイオード１１ａ上に形成された第１のマイクロレンズ１２ａを有する。第２の画素１３ｂは、第２の信号電荷を発生させる第２のフォトダイオード１１ｂ、および第２のフォトダイオード１１ｂ上に形成された、第１のマイクロレンズ１２ａより小さい第２のマイクロレンズ１２ｂを有する。第２の画素１３ｂは、第１の画素１３ａに対して１／ｎ倍の感度と、ｎ倍の光電変換期間とを有する。単位セルの出力回路１７は、第１の信号電荷の電荷量に基づく第１の検出信号と、第２の信号電荷の電荷量に基づく第２の検出信号との差分信号を出力する。
【解決手段】第１の画素１３ａ、第２の画素１３ｂ、および単位セルの出力回路１７を有する。第１の画素１３ａは、第１の信号電荷を発生させる第１のフォトダイオード１１ａ、および第１のフォトダイオード１１ａ上に形成された第１のマイクロレンズ１２ａを有する。第２の画素１３ｂは、第２の信号電荷を発生させる第２のフォトダイオード１１ｂ、および第２のフォトダイオード１１ｂ上に形成された、第１のマイクロレンズ１２ａより小さい第２のマイクロレンズ１２ｂを有する。第２の画素１３ｂは、第１の画素１３ａに対して１／ｎ倍の感度と、ｎ倍の光電変換期間とを有する。単位セルの出力回路１７は、第１の信号電荷の電荷量に基づく第１の検出信号と、第２の信号電荷の電荷量に基づく第２の検出信号との差分信号を出力する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、固体撮像装置および固体撮像システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、パソコンや携帯端末の入力手段として、指先をディスプレイに触れさせることなく文字を入力したり描画したりすることができる、光学式のいわゆるアンタッチパネルの開発が進められている。光学式のタッチパネルによれば、指先をディスプレイに触れさせないため、ディスプレイ表面が汚れることを抑制できる。さらに光学式のアンタッチパネルによれば、指先の動きを検知して文字を入力したり描画したりするため、指先がディスプレイに触れたことを検知する透明電極が不要になる。従って、透明電極の光吸収によってディスプレイの明度が低下することを抑制することができる。
【０００３】
また、ゲーム分野において、人間の意志を機械に伝達するための手段として、光学的に人の動きを認識させることにより画面上の登場人物の動きを変え、若しくは球技に対するリアクションに変えるシステムが普及している。
【０００４】
これらのアンタッチパネルおよびシステムに適用されるカメラには、固体撮像装置として、ＣＭＯＳセンサまたはＣＣＤセンサが使用される。例えばＣＭＯＳセンサは、大きさが等しくかつ感度が同一である複数の画素を格子状に配列したものである。例えばこのようなＣＭＯＳセンサが適用されたカメラを使用して、指先などの被写体の動きを検知する場合、動き検知用の信号処理回路を用いて、以下のような信号処理を行う必要がある。
【０００５】
すなわち、所定の時間間隔毎に動く被写体を含む所定領域を撮像し、撮像された画像同士を、動き検知用の信号処理回路を用いて比較する。画像同士を比較することによって、被写体が動いた方向および被写体が動いた距離を検出することができるため、被写体の動きを検知することができる。
【０００６】
しかし、このような信号処理は画像同士の比較に基づく処理であるため、非常に処理が複雑であり、従って処理時間も要するという問題があった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２０１１−１５２１９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
実施形態は、被写体の動きを容易に検知することができる固体撮像装置および固体撮像システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
実施形態に係る固体撮像装置は、第１の画素、第２の画素、および出力回路を有する。前記第１の画素は、光を受光して光電変換することにより第１の信号電荷を発生させる第１のフォトダイオード、およびこの第１のフォトダイオード上に形成された第１のマイクロレンズを有する。前記第２の画素は、光を受光して光電変換することにより第２の信号電荷を発生させる第２のフォトダイオード、およびこの第２のフォトダイオード上に形成された、前記第１のマイクロレンズより小さい第２のマイクロレンズを有する。さらに前記第２の画素は、前記第１の画素に対して１／ｎ倍の感度と、前記第１の画素に対してｎ倍の光電変換期間と、を有する。前記出力回路は、前記第１の信号電荷の電荷量に基づく第１の検出信号と、前記第２の信号電荷の電荷量に基づく第２の検出信号と、の差分信号を出力する。
【００１０】
また、実施形態に係る固体撮像システムは、上述の固体撮像装置を有する固体撮像システムであって、画像形成部をさらに具備する。この画像形成部は、前記固体撮像装置が有する前記出力回路から出力される前記差分信号に基づいて画像を形成して出力する。前記出力回路は、前記固体撮像装置が静止した被写体を撮像した場合に前記第１の画素の出力と前記第２の画素の出力とが等しくなることによって、ゼロを前記差分信号として出力し、一方前記固体撮像装置が動く被写体を撮像した場合に前記第１の画素の出力と前記第２の画素の出力とが異なることによって、両者の差分値を前記差分信号として出力し、前記画像形成部がこの差分信号に基づく画像を形成して出力することにより、前記被写体の動きを検知する。
【００１１】
また、実施形態に係る固体撮像装置は、第１の画素、第２の画素、出力回路、および制御部、を具備する。前記第１の画素は、光を受光して光電変換することにより第１の信号電荷を発生させる第１のフォトダイオード、およびこの第１のフォトダイオード上に形成された第１のマイクロレンズを有する。前記第２の画素は、光を受光して光電変換することにより第２の信号電荷を発生させる第２のフォトダイオード、およびこの第２のフォトダイオード上に形成された、前記第１のマイクロレンズより小さい第２のマイクロレンズを有するとともに、前記第１の画素に対して１／ｎ倍の感度を有する。前記出力回路は、前記第１の信号電荷の電荷量および前記第２の信号電荷の電荷量に基づく信号を出力する。前記制御部は、前記出力回路にモード切り替え信号を出力することにより、前記出力回路の動作を制御する。この制御部は、前記出力回路に、前記モード切り替え信号として動き検知モード信号を出力した場合に、前記出力回路は、前記第２の画素の光電変換期間が前記第１の画素の光電変換期間に対してｎ倍になるように、前記第１の画素および前記第２の画素から、前記第１の信号電荷および前記第２の信号電荷を読み出して、読み出された前記第１の信号電荷の電荷量に基づく第１の検出信号と、前記第２の信号電荷の電荷量に基づく第２の検出信号と、の差分信号を出力するように動作する。また、前記制御部は、前記出力回路に、前記モード切り替え信号として広ダイナミックレンジモード信号を出力した場合に、前記出力回路は、前記第２の画素の光電変換期間が前記第１の画素の光電変換期間より長くなるように、前記第１の画素および前記第２の画素から、前記第１の信号電荷および前記第２の信号電荷を読み出して、読み出された前記第１の信号電荷の電荷量および前記第２の信号電荷の電荷量の和に基づく信号を出力するように動作する。
【００１２】
また、実施形態に係る固体撮像システムは、上述の固体撮像装置を有する固体撮像システムであって、画像形成部をさらに具備する。この画像形成部は、前記固体撮像装置が有する前記出力回路から出力される前記信号に基づいて画像を形成して出力する。前記出力回路は、この回路が前記制御部から前記動き検知モード信号を受け取った場合、前記固体撮像装置が静止した被写体を撮像したときに前記第１の画素の出力と前記第２の画素の出力とが等しくなることによって、ゼロを前記差分信号として出力し、一方前記固体撮像装置が動く被写体を撮像したときに前記第１の画素の出力と前記第２の画素の出力とが異なることによって、両者の差分値を前記差分信号として出力し、前記画像形成部がこの差分信号に基づく画像を形成して出力することにより、前記被写体の動きを検知し、前記出力回路が前記制御部から前記広ダイナミックレンジモード信号を受け取った場合、前記固体撮像装置が被写体を撮像したときに、前記第１の信号電荷の電荷量および前記第２の信号電荷の電荷量の和に基づく信号を出力し、前記画像形成部がこの和に基づく信号に基づいて画像を形成して出力する。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】第１の実施形態に係る固体撮像装置の要部を示す上面図である。
【図２】図１の一点鎖線Ｘ−Ｘ´に沿った固体撮像装置の部分断面図である。
【図３】第１の実施形態に係る固体撮像装置における単位セルおよび垂直方向における複数の単位セルに共通して配置された共通出力回路を含む固体撮像装置の等価回路図である。
【図４】第１の画素および第２の画素における、光電変換期間と、各画素に蓄積される信号電荷の電荷量と、の関係を示すための説明図である。
【図５】動き検知モードにおける、アドレストランジスタ、リセットトランジスタ、第１の読み出しゲート、および第２の読み出しゲートの動作と、垂直信号線に現れる検出信号との関係を示すタイミングチャートである。
【図６】動き検知モードにおける、第１乃至第３のスイッチの動作と、差動増幅器に入力される検出信号および差動増幅器から出力される差分信号と、の関係を示すタイミングチャートである。
【図７】動き検知モードを説明するための説明図であって、同図（ａ）は撮像対象の例である動いている指先を示し、同図（ｂ）は第１の画素のみによって指先を撮像した場合における出力画像を示し、同図（ｃ）は同図（ｂ）の反転画像を示し、同図（ｄ）は第２の画素のみによって指先を撮像した場合における出力画像を示し、同図（ｅ）は同図（ａ）の点線Ａ−Ａ´に沿ったライン上の各セルから出力される検出信号の電位レベルを示し、同図（ｆ）は本実施形態に係る固体撮像装置による出力画像を示す。
【図８】第２の実施形態に係る固体撮像装置の要部を示す上面図である。
【図９】第３の実施形態に係る固体撮像装置の要部を示す上面図である。
【図１０】第４の実施形態に係る固体撮像システムの要部を示す上面図である。
【図１１】第４の実施形態に係る固体撮像システムの要部を示す側面図である。
【図１２】広ダイナミックレンジモードにおける、アドレストランジスタ、リセットトランジスタ、第１の読み出しゲート、および第２の読み出しゲートの動作と、垂直信号線に現れる検出信号との関係を示すタイミングチャートである。
【図１３】広ダイナミックレンジモードにおける、第１乃至第３のスイッチの動作と、差動増幅器に入力される検出信号および差動増幅器から出力される差分信号と、の関係を示すタイミングチャートである。
【図１４】広ダイナミックレンジモードを説明するための図であって、第１の実施形態に係る固体撮像装置の単位セルが受光した光量と、差動増幅器から出力される差分信号の電位との関係を示すグラフである。
【図１５】広ダイナミックレンジモードを実現するための固体撮像装置の他の変形を示す上面図である。
【図１６】図１５に示す固体撮像装置によって広ダイナミックレンジモードを説明するための図であって、固体撮像装置の単位セルが受光した光量と、差動増幅器から出力される差分信号の電位との関係を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下に、実施形態に係る固体撮像装置および固体撮像システムについて、図面を参照して詳細に説明する。
【００１５】
（第１の実施形態）
図１は、第１の実施形態に係る固体撮像装置１０の要部を示す上面図である。図１に示す固体撮像装置１０は、フォトダイオード１１ａ、１１ｂおよびマイクロレンズ１２ａ、１２ｂを有する複数の画素１３ａ、１３ｂが格子状に配列されたＣＭＯＳ型の固体撮像装置１０である。
【００１６】
この固体撮像装置１０において、縦方向において互いに隣接する画素１３ａ、１３ｂは、互いに感度が異なっている。本実施形態に係る固体撮像装置１０は、このように感度が異なる２つの画素１３ａ、１３ｂを単位セル１４とする、いわゆる２画素１セルタイプの固体撮像装置である。
【００１７】
各単位セル１４は、高感度の第１の画素１３ａと、低感度の第２の画素１３ｂと、を有する。高感度の第１の画素１３ａは、面積が大きい四角形状の第１のフォトダイオード１１ａと、この第１のフォトダイオード１１ａ上に形成された、サイズ（表面積若しくは高さ）が大きい第１のマイクロレンズ１２ａと、を有する。また、低感度の第２の画素１３ｂは、第１のフォトダイオード１１ａより面積が小さい四角形状の第２のフォトダイオード１１ｂと、この第２のフォトダイオード１１ｂ上に形成された、第１のマイクロレンズ１２ａよりサイズが小さい第２のマイクロレンズ１２ｂと、を有する。
【００１８】
なお、各画素１３ａ、１３ｂの飽和レベル、すなわち、各フォトダイオード１１ａ、１１ｂが光電変換することにより蓄えることができる最大の信号電荷量は、各フォトダイオード１１ａ、１１ｂの面積によって決まる。第１のフォトダイオード１１ａは、第２のフォトダイオード１１ｂより面積が大きいため、第１の画素１３ａの飽和レベルは、第２の画素１３ｂの飽和レベルより高い。
【００１９】
ここで、第１の画素１３ａは第２の画素１３ｂより高感度であり、第１のフォトダイオード１１ａに単位時間当たりに蓄積される信号電荷量は、第２のフォトダイオード１１ｂより多いため、本実施形態にかかる固体撮像装置１０のように、第１のフォトダイオード１１ａは、第２のフォトダイオード１１ｂより大きいことが好ましい。しかし、第１の画素１３ａおよび第２の画素１３ｂの光電変換期間内に、第１のフォトダイオード１１ａおよび第２のフォトダイオード１１ｂが共に飽和しない程度の大きさであれば、これらのフォトダイオード１１ａ、１１ｂの大きさの関係は、上述の関係に限定されない。従って、例えば後述の図１５に示す固体撮像装置６０のように、第１のフォトダイオード１１ａは、第２のフォトダイオード１１ｂより小さくてもよい。
【００２０】
また、各画素１３ａ、１３ｂの感度は、各マイクロレンズ１２ａ、１２ｂのサイズによって決まる。第１のマイクロレンズ１２ａは、第２のマイクロレンズ１２ｂより大きいサイズであるため、第１の画素１３ａの感度は、第２の画素１３ｂの感度より高い。
【００２１】
本実施形態に係る固体撮像装置１０は、このような第１の画素１３ａおよび第２の画素１３ｂを有する複数の単位セル１４が、格子状に配列されたものである。すなわち、本実施形態に係る固体撮像装置１０は、同一単位セル１４内の第１のマイクロレンズ１２ａと第２のマイクロレンズ１２ｂとが図面縦方向（以下、垂直方向と称する）において隣接し、異なる単位セル１４内のそれぞれの第１のマイクロレンズ１２ａが図面横方向（以下、水平方向と称する）において隣接するように、複数の単位セル１４が格子状に配列されたものである。この場合、異なる単位セル１４内のそれぞれの第２のマイクロレンズ１２ｂは、水平方向において近接する。
【００２２】
各単位セル１４内には、第１の画素１３ａに蓄積された信号電荷（以下、第１の信号電荷と称する）を読み出す第１の読み出しゲート１５ａ、第２の画素１３ｂに蓄積された信号電荷（以下、第２の信号電荷と称する）を読み出す第２の読み出しゲート１５ｂ、第１、第２の信号電荷を検出する検出部１６、検出された第１、第２の信号電荷に基づいて第１、第２の検出信号を出力する単位セルの出力回路１７、検出部１６を一定電位にリセットし、かつ余剰電荷を排出するリセットトランジスタ１８、一定電位にリセットし、かつ余剰電荷の排出先であるドレイン１９、が設けられている。
【００２３】
第１の読み出しゲート１５ａは、第１の画素１３ａの第１のフォトダイオード１１ａの一辺に近接する位置に設けられている。第２の読み出しゲート１５ｂは、第２の画素１３ｂの第２のフォトダイオード１１ｂの一辺に近接する位置に設けられている。
【００２４】
検出部１６は、第１の読み出しゲート１５ａと第２の読み出しゲート１５ｂとの間に設けられている。検出部１６は、第１の読み出しゲート１５ａによって第１の画素１３ａから読み出した第１の信号電荷、および第２の読み出しゲート１５ｂによって第２の画素１３ｂから読み出した第２の信号電荷を受け取る。
【００２５】
単位セルの出力回路１７は、第２の画素１３ｂに近接する位置に設けられており、検出部１６が受け取った第１、第２の信号電荷の電荷量に応じた第１、第２の検出信号を出力する回路である。
【００２６】
なお、リセットトランジスタ１８は、このトランジスタ１８と単位セルの出力回路１７とによって検出部１６を挟む位置に設けられている。リセットトランジスタ１８は、検出部１６に蓄積された余剰電荷を検出部１６から排出してリセットトランジスタ１８の近傍に設けられたドレイン１９に転送することにより、検出部１６の電位を一定に保つ。
【００２７】
図２は、図１の一点鎖線Ｘ−Ｘ´に沿った固体撮像装置１０の部分断面図である。図２に示すように、固体撮像装置１０の単位セル１４において、例えばシリコンからなるＰ型の半導体基板２０の表面には、Ｎ＋型の不純物層である第１のフォトダイオード１１ａおよび第２のフォトダイオード１１ｂが、互いに離間した位置に形成されている。また、半導体基板２０の表面において、第１のフォトダイオード１１ａと第２のフォトダイオード１１ｂとに挟まれた位置には、Ｎ＋型の不純物層である検出部１６が形成されている。
【００２８】
半導体基板２０の表面上において、第１のフォトダイオード１１ａと検出部１６との間には、酸化膜２１を介して第１の読み出しゲート１５ａである第１のゲート電極１５ａが形成されている。同様に、第２のフォトダイオード１１ｂと検出部１６との間には、酸化膜２１を介して第２の読み出しゲート１５ｂである第２のゲート電極１５ｂが形成されている。
【００２９】
また、半導体基板２０の表面上には、酸化膜２１を介して配線層２２が形成されている。この配線層２２は、上述の第１のゲート電極１５ａ、第２のゲート電極１５ｂ、および配線２３を含み、これらが絶縁体２４によって互いに絶縁されたものである。
【００３０】
配線層２２の表面上には、第１のマイクロレンズ１２ａおよび第２のマイクロレンズ１２ｂが形成されている。第１のマイクロレンズ１２ａは、第１のフォトダイオード１１ａ上に形成されており、第２のマイクロレンズ１２ｂは、第２のフォトダイオード１１ａ上に形成されている。
【００３１】
この固体撮像装置１０において、例えば第１のゲート電極１５ａに所望の電圧が印加されると、第１のゲート電極１５ａ直下の半導体基板２０の表面にチャネルが形成されるため、第１のフォトダイオード１１ａに蓄積された第１の信号電荷を、チャネルを介して検出部１６に転送することができる。同様に、第２のゲート電極１５ｂに所望の電圧が印加されると、第２のゲート電極１５ｂ直下の半導体基板２０の表面にチャネルが形成されるため、第２のフォトダイオード１１ｂに蓄積された第２の信号電荷を、チャネルを介して検出部１６に転送することができる。
【００３２】
なお、リセットトランジスタ１８における電荷の転送も、同様に行われる。
【００３３】
図３は、本実施形態に係る固体撮像装置１０における単位セル１４および垂直方向における複数の単位セル１４に共通して配置された共通出力回路１７´を含む固体撮像装置の等価回路図である。図３に示すように、高感度の第１の画素１３ａを構成する第１のフォトダイオード１１ａには、第１の読み出しゲート１５ａが接続されている。同様に、低感度の第２の画素１３ｂを構成する第２のフォトダイオード１１ｂには、第２の読み出しゲート１５ｂが接続されている。
【００３４】
第１の読み出しゲート１５ａおよび第２の読み出ゲート１５ｂの出力は、検出部１６に共通に接続されている。この検出部１６は、垂直方向において、リセットトランジスタ１８に接続されており、水平方向において、単位セルの出力回路１７に接続されている。
【００３５】
なお、単位セルの出力回路１７は、検出部１６で受けた第１、第２の信号電荷を電圧信号に変換するためのアンプトランジスタＡＭＰＴｒ、および単位セル１４を選択するためのアドレストランジスタＡＤＤＲＥＳＳＴｒからなる。上述の検出部１６は、水平方向において、単位セルの出力回路１７のアンプトランジスタＡＭＰＴｒの制御ゲートに接続されている。
【００３６】
アンプトランジスタＡＭＰＴｒのドレインは、アドレストランジスタＡＤＤＲＥＳＳＴｒに接続されており、アンプトランジスタＡＭＰＴｒのソースは、垂直信号線ＬＳを介してロードトランジスタＬＯＡＤＴｒに接続されている。
【００３７】
第１乃至第３のスイッチＳＷ１、ＳＷ２，ＳＷ３、差動増幅器Ｄｉｆｆ−ＡＭＰ、ロードトランジスタＬＯＡＤＴｒを含む共通出力回路１７´は、垂直方向に配列された複数の単位セル１４に共通して使用される。
【００３８】
第１の読み出しゲート１５ａの制御ゲートは、第１のリード線ＬＲ１を介して周辺回路である垂直レジスタ２５に接続されており、第２の読み出しゲート１５ｂの制御ゲートは、第２のリード線ＬＲ２を介して垂直レジスタ２５に接続されている。また、リセットトランジスタ１８のゲート電極は、リセット線ＬＲＳを介して垂直レジスタ２５に接続されており、アドレストランジスタＡＤＤＲＥＳＳＴｒのゲート電極は、アドレス線ＬＡを介して垂直レジスタ２５に接続されている。
【００３９】
アンプトランジスタＡＭＰＴｒの出力は、ロードトランジスタＬＯＡＤＴｒおよび第１のスイッチＳＷ１を介して差動増幅器Ｄｉｆｆ−ＡＭＰの反転入力端子（以下、マイナス端子と称する）に接続されていると同時に、ロードトランジスタＬＯＡＤＴｒおよび第２のスイッチＳＷ２を介して差動増幅器Ｄｉｆｆ−ＡＭＰの非反転入力端子（以下、プラス端子と称する）に接続されている。なお、第１のスイッチＳＷ１の出力は、差動増幅器Ｄｉｆｆ−ＡＭＰのマイナス端子に接続されると同時に、キャパシタＣを介して接地されている。
【００４０】
差動増幅器Ｄｉｆｆ−ＡＭＰの出力には、第３のスイッチＳＷ３が接続されている。そして、第３のスイッチＳＷ３には、このスイッチＳＷ３から出力される信号に基づいて画像を形成する画像形成部２６が接続されている。この画像形成部２６について詳細に説明すると、共通出力回路１７’は各垂直信号線ＬＳ下部に、それぞれ設置されている。このＳＷ３は水平レジスタ（図示せず）に連結されており、順次ＳＷ３をＯＮさせ、１水平走査線の差分出力を順次、水平出力ライン（図示せず）にて外部に出力させる。この水平レジスタ、水平出力ラインを画像形成部２６と称した。
【００４１】
また、垂直レジスタ２５および共通出力回路１７´には、これらを制御する制御部２７が接続されている。制御部２７は、垂直レジスタ２５および共通出力回路１７´に制御信号を出力することにより、これらの動作を制御する。
【００４２】
すなわち、制御部２７が垂直レジスタ２５に制御信号を出力することにより、垂直レジスタ２５は、第１の読み出しゲート１５ａ、第２の読み出しゲート１５ｂ、リセットトランジスタ１８、およびアドレストランジスタＡＤＤＲＥＳＳＴｒに、これらを所望のタイミングで動作させるための信号を出力する。
【００４３】
また、制御部２７が共通出力回路１７´に含まれる第１乃至第３のスイッチＳＷ１、ＳＷ２，ＳＷ３、およびロードトランジスタＬＯＡＤＴｒのそれぞれに所望のタイミングで制御信号を出力することにより、これらは、所望のタイミングで動作する。
【００４４】
ここで、各単位セル１４毎に設けられた第１の読み出しゲート１５ａ、第２の読み出しゲート１５ｂ、リセットトランジスタ１８、および単位セル１４の出力回路１７と、垂直レジスタ２５と、共通出力回路１７´と、を含む回路を、出力回路と称すると、制御部２７が出力回路に制御信号を出力することにより、出力回路は、所望のタイミングで所望の動作を行う。
【００４５】
次に、本実施形態に係る固体撮像装置１０による撮像方法について説明する。この撮像方法は、動き検知モードを実現する方法である。ここで、動き検知モードとは、静止状態にある被写体は画像として出力せず、動いている被写体の輪郭を画像として出力するモードである。この動き検知モードを実現する方法について、図４を参照して説明する。図４は、第１の画素１３ａおよび第２の画素１３ｂにおける、光電変換期間と、各画素１３ａ、１３ｂに蓄積される第１の信号電荷若しくは第２の信号電荷の電荷量と、の関係を示すための説明図である。図中の実線の矢印は第１の画素１３ａに蓄積される第１の信号電荷の電荷量を示し、図中の一点鎖線の矢印は第２の画素１３ｂに蓄積される第２の信号電荷の電荷量を示す。なお、以下の説明において、第１の画素１３ａと第２の画素１３ｂとの感度比は２：１であるものとする。
【００４６】
図４に示すように、まず、互いに異なる感度を有する第１の画素１３ａおよび第２の画素１３ｂにおいて、同時に光電変換を開始させる。第１の画素１３ａの感度は第２の画素１３ｂの感度の２倍であるため、光電変換によって第１の画素に蓄積される第１の信号電荷の電荷量は、第２の画素１３ｂに蓄積される第２の信号電荷の電荷量の２倍の割合で増加していく。
【００４７】
次に、所定の時間ｔ１が経過した後、第１の画素１３ａに蓄積された第１の信号電荷のみを排出する。この排出動作は、いわゆる電子シャッターであって、読み出された第１の信号電荷は、リセットトランジスタ１８を介してドレイン１９に排出される。なお、第２の画素１３ｂの光電変換は、引き続き継続させる。
【００４８】
第１の画素１３ａの電子シャッターが終了した後、再び第１の画素１３ａにおいて、光電変換を開始させる。
【００４９】
次に、電子シャッターが終了してから所定の時間ｔ１、すなわち第１の画素１３ａの光電変換期間ｔ１が経過した後、第１の画素１３ａに蓄積された第１の信号電荷を読み出す。
【００５０】
また、第１の画素１３ａに蓄積された第１の信号電荷を読み出すタイミングに対して僅かにずれたタイミング、すなわち、実質的に第２の画素１３ｂの光電変換期間ｔ２（＝２×ｔ１）が経過した後、第２の画素１３ｂに蓄積された第２の信号電荷を読み出す。
【００５１】
毎秒３０枚の画像を撮る場合において、垂直方向に５００画素有する場合、第１の画素１３ａから第１の信号電荷を読み出すタイミングと、第２の画素１３ｂから第２の信号電荷を読み出すタイミングと、の差は、例えば６４μ秒程度である。
【００５２】
なお、本実施形態において、第２の画素１３ｂの光電変換期間を第１の画素１３ａの光電変換期間の２倍に設定しているが、一般に、第１の画素１３ａが第２の画素１３ｂの感度のｎ倍である場合、両者の光電変換期間は、第２の画素１３ｂの光電変換期間が第１の画素１３ａの光電変換期間のｎ倍になるように両者の電子シャッターを働かせることにより、任意に設定できる。
【００５３】
ここで、本実施形態に係る固体撮像装置によって静止状態にある被写体を撮像した場合、第１の画素１３ａから読み出される第１の信号電荷の電荷量Ｑと、第２の画素１３ｂから読み出される第２の信号電荷の電荷量Ｑとは、図４に示すように等しくなる。しかし、動いている被写体を撮像した場合、第１の画素１３ａから読み出される第１の信号電荷の電荷量および第２の画素１３ｂから読み出される第２の信号電荷の電荷量は、等しくはなくなり、両者の間に差が生じる。
【００５４】
次に、第１の画素１３ａから読み出される第１信号電荷に基づいた第１の検出信号と、第２の画素１３ｂから読み出される第２信号電荷に基づいた第２の検出信号と、を差動増幅器Ｄｉｆｆ−ＡＭＰを用いて減算処理する。
【００５５】
前述したように、静止状態にある被写体を撮像した場合、第１の信号電荷の電荷量と第２の信号電荷の電荷量とは等しい。従って、第１の検出信号の電圧と第２の検出信号の電圧とは等しくなる。従って、第１の検出信号と第２の検出信号とを減算処理すると、差動増幅器Ｄｉｆｆ−ＡＭＰからは、差分信号としてゼロが出力される。
【００５６】
しかし、動く被写体を撮像した場合、被写体の動きに応じて第１の信号電荷の電荷量と第２の信号電荷の電荷量との間には、差が生じる。従って、第１の検出信号の電圧と第２の検出信号の電圧との間にも差が生じる。このため、第１の検出信号と第２の検出信号とを減算処理すると、差動増幅器Ｄｉｆｆ−ＡＭＰからは、第１の検出信号の電圧と第２の検出信号の電圧との差である差分信号が出力される。この差分信号を画像化することにより、固体撮像装置は、被写体の動きに応じた画像を出力する。
【００５７】
以上に説明したように、動き検知モードは、第１の画素１３ａと第２の画素１３ｂとの感度比を２：１にするとともに、第１の画素１３ａと第２の画素１３ｂとの光電変換期間比を１：２に設定し、このような第１、第２の画素１３ａ、１３ｂを用いて被写体を撮像することにより得られる第１、第２の検出信号を減算処理することにより実現される。
【００５８】
なお、動き検知モードは、一般に、第１の画素１３ａと第２の画素１３ｂとの感度比をｎ：１にするとともに、第１の画素１３ａと第２の画素１３ｂとの光電変換期間比を１：ｎに設定し、このような第１、第２の画素１３ａ、１３ｂを用いて被写体を撮像することにより得られる第１、第２の検出信号を減算処理することにより実現される。
【００５９】
以下に、上述した動き検知モードを実現する方法について、図３の等価回路図を参照しながら、図５および図６を参照してより詳細に説明する。図５は、動き検知モードにおける、アドレストランジスタＡＤＤＲＥＳＳＴｒ、リセットトランジスタ１８、第１の読み出しゲート１５ａ、および第２の読み出しゲート１５ｂの動作と、垂直信号線ＬＳに現れる第１、第２の検出信号との関係を示すタイミングチャートである。図６は、動き検知モードにおける、第１乃至第３のスイッチＳＷ１、ＳＷ２、ＳＷ３の動作と、差動増幅器Ｄｉｆｆ−ＡＭＰに入力される第１、第２の検出信号および差動増幅器Ｄｉｆｆ−ＡＭＰの出力端子から出力される差分信号と、の関係を示すタイミングチャートである。
【００６０】
なお、図５および図６に示される動き検知モードの動作は、制御部２７（図３）が、上述した出力回路に、制御信号であるモード切り替え信号として、動き検知モード信号を出力することにより実行される。
【００６１】
図３に示すアドレストランジスタＡＤＤＲＥＳＳＴｒがオフのときに、図５に示すように、Ｔ７のタイミングで、第１の読み出しゲート１５ａと第２の読み出しゲート１５ｂとを同時に一定時間αだけオンする。これらのゲート１５ａ、１５ｂをオンすることにより、第１の画素１３ａおよび第２の画素１３ｂに蓄積されていた第１、第２の信号電荷を検出部１６に排出する。なお、後に第１の画素１３ａにおいて電子シャッターを実行するため、Ｔ７のタイミングにおいて、第１の読み出しゲート１５ａは、必ずしもオンする必要はない。
【００６２】
次に、Ｔ８のタイミングで、リセットトランジスタ１８を一定時間βだけオンする。このトランジスタ１８をオンすることにより、検出部１６に蓄積された第１、第２の信号電荷を、余剰電荷としてドレイン１９に送り、検出部１６の電位を一定に保つ。なお、後にＴ１のタイミングでリセットトランジスタ１８をオンするため、このタイミングにおいては、必ずしもリセットトランジスタ１８をオンする必要はない。
【００６３】
次に、第１の読み出しゲート１５ａがオフしてから時間ｔ１−αが経過した後、Ｔ９のタイミングで再び第１の読み出しゲー１５ａを一定時間αだけオンする。すなわち、第１の画素１３ａにおいて、いわゆる電子シャッターを実行する。第１の読み出しゲート１５ａをオンすることにより、第１の画素１３ａに蓄積された第１の信号電荷を検出部１６に再び排出する。なお、このとき、第２の読み出しゲート１５ｂはオンせず、第２の画素１３ｂは、光電変換を継続する。
【００６４】
次に、Ｔ１０のタイミングで、再びリセットトランジスタ１８を一定時間βだけオンする。このトランジスタ１８をオンすることにより、検出部１６に蓄積された第１の信号電荷を、余剰電荷としてドレイン１９に送り、検出部１６の電位を一定に保つ。なお、後にＴ１のタイミングでリセットトランジスタ１８をオンするため、このタイミングにおいても、必ずしもリセットトランジスタ１８をオンする必要はない。
【００６５】
次に、アドレストランジスタＡＤＤＲＥＳＳＴｒをオンにして、Ｔ１のタイミングでリセットトランジスタ１８を一定時間βだけオンする。このリセットトランジスタ１８をオンすると、それまでに検出部１６に蓄積された第１の信号電荷若しくは第２の信号電荷がドレイン１９に排出され、検出部１６の電位が一定に保たれる。この後、リセットトランジスタ１８をオフすると、検出部１６には誘導でノイズが載り、そのノイズがアンプトランジスタＡＭＰＴｒの制御ゲートに印加される。従って、垂直信号線ＬＳにはノイズ成分が発生する。
【００６６】
次に、第１の画素１３ａにおける電子シャッターが終了してから時間ｔ１−αが経過した後、Ｔ３のタイミングで再び第１の読み出しゲート１５ａを一定時間αだけオンする。このゲート１５ａをオンすることにより、第１の画素１３ａに蓄積された第１の信号電荷を読み出す。第１の信号電荷は検出部１６で検出され、アンプトランジスタＡＭＰＴｒの制御ゲートに印加されるため、垂直信号線ＬＳに、第１の信号電荷の電荷量に基づく第１の検出信号が発生する。この第１の検出信号は、ノイズ成分に重畳される。
【００６７】
なお、Ｔ９のタイミングで第１の読み出しゲート１５ａがオフしたときからＴ３のタイミングで第１の読み出しゲート１５ａをオフするときまでの期間が、第１の画素１３ａの光電変換期間ｔ１である。
【００６８】
次に、Ｔ４のタイミングでリセットトランジスタ１８を一定時間βだけオンする。このリセットトランジスタ１８をオンすると、検出部１６の電位が一定に保たれる。この後、このリセットトランジスタ１８をオフすると、Ｔ１のタイミングでリセットトランジスタ１８をオフしたときに発生したノイズと同一レベルのノイズがリセットトランジスタ１８から発生し、垂直信号線ＬＳには再びノイズ成分が発生する。
【００６９】
この後、Ｔ７のタイミングで第２の読み出しゲート１５ｂがオフしてから時間ｔ２−αが経過した後、Ｔ６のタイミングで第２の読み出しゲート１５ｂを一定時間αだけオンする。このゲート１５ｂをオンすることにより、第２の画素１３ｂに蓄積された第２の信号電荷を読み出す。第２の信号電荷は検出部１６で検出され、アンプトランジスタＡＭＰＴｒの制御ゲートに印加されるため、垂直信号ＬＳ線に、第２の信号電荷の電荷量に基づく第２の検出信号が発生する。この第２の検出信号は、ノイズ成分に重畳される。
【００７０】
なお、Ｔ７のタイミングで第２の読み出しゲート１５ｂがオフしたときからＴ６のタイミングで第２の読み出しゲート１５ｂがオフするときまでの時間が、第２の画素１３ｂの光電変換期間ｔ２である。この光電変換期間ｔ２は、実際は、第１の画素１３ａの光電変換期間ｔ１の２倍よりも僅かに長い。しかし、Ｔ３とＴ６とのタイミングを、実質的にｔ２＝２×ｔ１になるように、両者のタイミングずれを僅かにすることにより、第２の画素１３ｂの光電変換期間ｔ２を、第１の画素１３ａの光電変換期間ｔ１の２倍とみなすことができる。
【００７１】
このように、第２の画素１３ｂの光電変換期間ｔ２を、第１の画素１３ａの光電変換期間ｔ１の２倍とみなす一方で、第２の画素１３ｂの感度は、第１の感度１３ａの１／２倍である。従って、静止状態にある被写体を撮像した場合、第１の画素１３ａから読み出される第１の信号電荷の電荷量と第２の画素１３ｂから読み出される第２の信号電荷の電荷量とは、ほぼ同一になる。しかし、動く被写体を撮像した場合、第１の信号電荷の電荷量と第２の信号電荷の電荷量との間には、差が生ずる。
【００７２】
図５に示すように、Ｔ３のタイミングで第１の信号電荷を読み出すと、この後、図６に示すように、Ｔ３１のタイミングで第１のスイッチＳＷ１を一定時間だけオンする。すると、第１の信号電荷の電荷量に基づく第１の検出信号は、ノイズ成分とともに、差動増幅器Ｄｉｆｆ−ＡＭＰのマイナス端子に入力される。これとともに、キャパシタＣには、第１の検出信号およびノイズ成分が入力される。従って、キャパシタＣには、第１の検出信号およびノイズ成分が有する電位が充電される。従って、一定期間、キャパシタＣは、第１の検出信号およびノイズ成分が有する電位を保持する。よって、第１のスイッチＳＷ１をオフしても、差動増幅器Ｄｉｆｆ−ＡＰＭのマイナス端子には、一定時間だけ、キャパシタＣに充電された電位が印加され続ける。
【００７３】
また、図５に示すように、Ｔ６のタイミングで第２の画素１３ｂから第２の信号電荷を読み出すと、この後、図６に示すように、Ｔ６２のタイミングで第２、第３のスイッチＳＷ２、ＳＷ３を一定時間だけオンする。すると、第２の信号電荷の電荷量に基づく第２の検出信号は、ノイズ成分とともに、差動増幅器Ｄｉｆｆ−ＡＭＰのプラス端子に入力される。
【００７４】
差動増幅器Ｄｉｆｆ−ＡＰＭのプラス端子に、第２の検出信号およびノイズ成分が有する電位が印加されているとき、マイナス端子には、第１の検出信号およびノイズ成分が有する電位が印加されている。
【００７５】
ここで、第１の画素１３ａから読み出される第１の信号電荷の電荷量と、第２の画素１３ｂから読み出される第２の信号電荷の電荷量と、が同一である場合、第１の検出信号の電位と第２の検出信号の電位と、は等しい。さらに、それぞれの検出信号に重畳されているノイズ成分の電位も等しい。従って、Ｔ６２のタイミングで第３のスイッチＳＷ３を一定時間だけオンすると、差動増幅器Ｄｉｆｆ−ＡＭＰからは、差分信号としてゼロが出力される。何も出力されない。なお、ノイズ成分もキャンセルして出力されない。
【００７６】
このように、静止した状態にある被写体を撮像し、第１の画素１３ａから読み出される第１の信号電荷の電荷量と、第２の画素１３ｂから読み出される第２の信号電荷の電荷量と、が同一である場合、差動増幅器Ｄｉｆｆ−ＡＭＰからは、差分信号としてゼロが出力される。従って、静止状態にある被写体を撮像しても、固体撮像装置からは、出力画像は出力されない。
【００７７】
しかし、被写体が動いている場合、その動きに応じて、第１の信号電荷の電荷量と第２の信号電荷の電荷量との間に差が生じるようになり、差動増幅器Ｄｉｆｆ−ＡＭＰからは、第１の検出信号と第２の検出信号との差に基づく差分信号が出力される。従って、被写体が動いているとき、固体撮像装置からは、差分信号に基づく画像が出力される。このようにして、動き検知モードが実現される。
【００７８】
以下に、図７を参照して、本実施形態に係る固体撮像装置１０による動き検知モードをさらに説明する。図７は、本実施形態に係る固体撮像装置１０による動き検知モードをより具体的に説明するための説明図であって、同図（ａ）は被写体の例である動いている指先を示し、同図（ｂ）は第１の画素のみによって指先を撮像した場合における出力画像を示し、同図（ｃ）は同図（ｂ）の反転画像を示し、同図（ｄ）は第２の画素のみによって指先を撮像した場合における出力画像を示し、同図（ｅ）は同図（ａ）の点線Ａ−Ａ´に沿ったライン上の各セルから出力される出力信号の電位レベルを示し、同図（ｆ）は本実施形態に係る固体撮像装置による出力画像を示す。なお、以下の説明においても、第１の画素と第２の画素との感度比は２：１であるものとする。
【００７９】
図７（ａ）に示すように、時間Δ１の間に、Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３の順に連続して動く指先を、本実施形態に係る固体撮像装置１０による動き検知モードで撮像した場合を考える。
【００８０】
ここで、光電変換期間がｔ１である第１の画素１３ａは、指先がＬ２の位置に存在するタイミングで撮像を開始し、Ｌ３の位置に存在するタイミングで撮像を終了したものとする。また、光電変換期間がｔ２である第２の画素１３ｂは、指先がＬ１の位置に存在するタイミングで撮像を開始し、Ｌ３の位置に存在するタイミングで撮像を終了したものとする。
【００８１】
このとき、図７（ｂ）に示すように、動く指先を第１の画素１３ａのみによって撮像した場合、その出力画像は、光電変換期間ｔ１に対応する太さの指先の画像が出力される。なお、図７（ｃ）は、図７（ｂ）の反転出力画像を示す。
【００８２】
また、図７（ｄ）に示すように、動く指先を第２の画素１３ｂのみによって撮像した場合、その出力画像は、光電変換期間ｔ２に対応する太さの指先の画像が出力される。
【００８３】
ここで、第１の画素１３ａによる撮像によって得られる第１の検出信号は差動増幅器Ｄｉｆｆ−ＡＭＰのマイナス端子に入力され、第２の画素１３ｂによる撮像によって得られる第１の検出信号は差動増幅器Ｄｉｆｆ−ＡＭＰのプラス端子に入力されることによって、両者の差分信号が出力信号として出力される。すなわち、差動増幅器Ｄｉｆｆ−ＡＭＰからは、図７（ｂ）の反転画像である図７（ｃ）に示す画像と図７（ｄ）に示す画像との和に相当する画像が出力される。
【００８４】
すなわち、図７（ａ）に示すように動く指先を撮像すると、図７（ｅ）に示すように、位置Ｌ１における各セルから出力される差分信号の電位レベルは、指先が動く方向に沿ってマイナスに下降する。位置Ｌ２における各セルから出力される差分信号の電位レベルは、指先が動く方向に沿って上昇し、点Ｐ（位置Ｌ１〜Ｌ３の中点）においてゼロとなり、指先が動く方向に沿ってさらに上昇する。位置Ｌ３における各セルから出力される出力信号の電位レベルは、指先が動く方向に沿って下降する。
【００８５】
これを画像化した場合、図７（ｆ）に示すように、動きがないように見える位置Ｌ２付近の各セルからは画像が出力されず、動きがあるように見える位置Ｌ１、Ｌ３付近の各セルからは画像が出力され、動きがある指先の輪郭のみが出力される。このようにして、動き検知モードが実現される。
【００８６】
以上に説明した第１の実施形態に係る固体撮像装置によれば、第１の画素１３ａと第２の画素１３ｂとの感度比をｎ：１にするとともに、第１の画素１３ａと第２の画素１３ｂとの光電変換期間比を１：ｎに設定し、このような第１、第２の画素１３ａ、１３ｂを用いて被写体を撮像することにより得られる第１、第２の検出信号を減算処理することにより、被写体の動きを検知することができる。従って、画像同士を比較する複雑な信号処理を行うことなく、容易に被写体の動きを検知することができる。
【００８７】
（動き検知モードの変形例）
上述の動き検知モードは、図５に示すように、Ｔ２、Ｔ５のタイミングにおいてノイズ成分のみを検出してもよい。すなわち、まず、上記タイミングでノイズを検出し、差動増幅器Ｄｉｆｆ−ＡＭＰによって第１、第２の検出信号に重畳されるそれぞれのノイズを除去する。次に、ノイズが除去された第１の検出信号と第２の検出信号との差をとる。これにより、動き検知モードを実現してもよい。
【００８８】
なお、ノイズが除去された第１の検出信号および第２の検出信号をそれぞれ別個に取り出せば、第１の画素１３ａと第２の画素１３ｂとは、それぞれ独立して撮像対象を撮像することになる。この場合、高解像度モードが実現される。
【００８９】
（第２の実施形態）
図８は、第２の実施形態に係る固体撮像装置３０の要部を示す上面図である。第２の固体撮像装置３０は、第１の固体撮像装置１０と比較して、単位セル１４の配置が異なる。
【００９０】
図８に示すように、第２の実施形態に係る固体撮像装置３０は、複数の第１のマイクロレンズ１２ａ、および複数の第２のマイクロレンズ１２ｂが市松状に配列されるように、複数の単位セル１４が配列されたものである。
【００９１】
すなわち、本実施形態に係る固体撮像装置３０は、複数の第１のマイクロレンズ１２ａが市松状に配列されるとともに、各第２のマイクロレンズ１２ｂを第１のマイクロレンズ１２ａの隙間に配置することによって複数の第２のマイクロレンズ１２ｂが市松状に配列されるように、複数の単位セル１４が配列されたものである。
【００９２】
この固体撮像装置３０であっても、第１の実施形態に係る固体撮像装置１０による撮像方法と同様に動作させることにより、動き検知モードを実現することができる。
【００９３】
以上に説明した第２の実施形態に係る固体撮像装置３０であっても、第１の画素１３ａと第２の画素１３ｂとの感度比をｎ：１にするとともに、第１の画素１３ａと第２の画素１３ｂとの光電変換期間比を１：ｎに設定し、このような第１、第２の画素１３ａ、１３ｂを用いて被写体を撮像することにより得られる第１、第２の検出信号を減算処理する。従って、第１の実施形態に係る固体撮像装置１０と同様の理由により、容易に被写体の動きを検知することができる。
【００９４】
さらに、第２の実施形態に係る固体撮像装置３０によれば、第１の実施形態に係る固体撮像装置１０と比較して、第１、第２のマイクロレンズ１２ａ、１２ｂの隙間が減少しているため、より多くの光を受光することができる。従って、より感度が向上した固体撮像装置３０を提供することができる。
【００９５】
（第３の実施形態）
図９は、第３の実施形態に係る固体撮像装置４０の要部を示す上面図である。第３の固体撮像装置４０は、斜め方向において互いに隣接する画素４１ａ、４１ｂの感度が互いに異なっている。本実施形態に係る固体撮像装置４０は、感度が異なる２つの画素４１ａ、４１ｂを単位セル４２とする、いわゆる２画素１セルタイプの固体撮像装置である。
【００９６】
さらに、この固体撮像装置４０は、単位セル毎に赤、緑、青のいずれかの光を透過させる色フィルタＲ１、Ｒ２、Ｇｒ１、Ｇｒ２、Ｇｂ１、Ｇｂ２、Ｂ１、Ｂ２を、配線層２２（図２）と第１、第２のマイクロレンズ４３ａ、４３ｂとの間に有するものである。赤色の光を透過させる赤色フィルタＲ１、Ｒ２、緑色の光を透過させる緑色フィルタＧｒ１、Ｇｒ２、Ｇｂ１、Ｇｂ２、および青色の光を透過させる青色フィルタＢ１、Ｂ２は、単位セル４２の配列に応じてベイヤー配列されている。
【００９７】
各単位セル４２は、高感度の第１の画素４１ａと、低感度の第２の画素４１ｂと、を有する。高感度の第１の画素４１ａは、面積が大きい六角形状の第１のフォトダイオード４４ａと、この第１のフォトダイオード４４ａ上に形成された、サイズが大きい第１のマイクロレンズ４３ａと、を有する。また、低感度の第２の画素４１ｂは、第１のフォトダイオード４４ａより面積が小さい六角形状の第２のフォトダイオード４４ｂと、この第２のフォトダイオード４４ｂ上に形成された、第１のマイクロレンズ４３ａよりサイズが小さい第２のマイクロレンズ４３ｂと、を有する。
【００９８】
本実施形態に係る固体撮像装置４０は、複数の単位セル４２を有し、これらがそれぞれ図面斜め方向に向くように配置されるとともに、複数の第１のマイクロレンズ４３ａ、および複数の第２のマイクロレンズ４３ｂが市松状に配列されるように、複数の単位セル４２が配列されたものである。
【００９９】
すなわち、本実施形態に係る固体撮像装置４０は、複数の第１のマイクロレンズ４３ａが市松状に配列されるとともに、各第２のマイクロレンズ４３ｂを第１のマイクロレンズ４３ａの隙間に配置することによって複数の第２のマイクロレンズ４３ｂが市松状に配列されるように、複数の単位セル４２が配列されたものである。
【０１００】
各単位セル４２内には、第１、第２の読み出しゲート４５ａ、４５ｂ、検出部４６、単位セルの出力回路４７、リセットトランジスタ４８、ドレイン４９、が設けられている。
【０１０１】
第１の読み出しゲート４５ａは、第１の画素４１ａの第１のフォトダイオード４４ａの一辺に近接する位置に設けられている。第２の読み出しゲート４５ｂは、第２の画素４１ｂの第２のフォトダイオード４４ｂの一辺に近接する位置であって、第１の読み出しゲート４５ａに対して垂直に設けられている。
【０１０２】
検出部４６および単位セルの出力回路４７は、単位セル４２内における第１の画素４１ａと第２の画素４１ｂとの間に設けられている。検出部４６は、第１の読み出しゲート４５ａと第２の読み出しゲート４５ｂとの間に設けられており、単位セルの出力回路４７は、検出部４６に対向する位置に設けられている。
【０１０３】
リセットトランジスタ４８は、検出部４６に近接する位置に設けられており、ドレイン４９は、この領域４９と検出部４６とによって、リセットトランジスタ４８を挟む位置に設けられている。
【０１０４】
このような単位セル４２が配列された固体撮像装置４０において、複数の垂直信号線ＬＳＧｒ、ＬＳＢ、ＬＳＧｂ、ＬＳＲのそれぞれは、垂直方向において同一色の色フィルタを有する複数の単位セル４２のそれぞれの単位セルの出力回路４７に共通に接続されている。垂直信号線ＬＳＧｒ、ＬＳＢ、ＬＳＧｂ、ＬＳＲに対して交差する複数の水平信号線ＬＨ１は、水平方向において隣接する複数の単位セル４２のそれぞれの第１の読み出しゲート４５ａに共通に接続されている。複数の水平信号線ＬＨ１の間に、水平信号線ＬＨ１に対して平行に配置される複数の水平信号線ＬＨ２は、水平方向において隣接する複数の単位セル４２のそれぞれの第２の読み出しゲート４５ｂに共通に接続されている。
【０１０５】
この固体撮像装置４０であっても、第１の実施形態に係る固体撮像装置１０による撮像方法と同様に動作させることにより、動き検知モードを実現することができる。
【０１０６】
以上に説明した第３の実施形態に係る固体撮像装置４０であっても、第１の画素４１ａと第２の画素４１ｂとの感度比をｎ：１にするとともに、第１の画素４１ａと第２の画素４１ｂとの光電変換期間比を１：ｎに設定し、このような第１、第２の画素４１ａ、４１ｂを用いて被写体を撮像することにより得られる第１、第２の検出信号を減算処理する。従って、第１の実施形態に係る固体撮像装置１０と同様の理由により、容易に被写体の動きを検知することができる。
【０１０７】
さらに、第３の実施形態に係る固体撮像装置４０によれば、各単位セル４２内における第１の画素４１ａと第２の画素４１ｂとは、それぞれ同一色の色フィルタを備えている。さらに、各単位セル４２内の同一色の２つのフィルタを１つの色フィルタとみなすと、１つであるとみなされる赤色フィルタＲ、緑色フィルタＧｒ、Ｇｂ、青色フィルタＢは、ベイヤー配列されている。従って、差動増幅器Ｄｉｆｆ−ＡＭＰから出力される差分信号から色を有する画像を形成するための画像処理回路（図示せず）は、通常に用いられている画像処理回路をそのまま適用することができる。
【０１０８】
（第４の実施形態）
図１０は、上述の第１乃至第３のいずれかの固体撮像装置１０、３０、４０を用いた固体撮像システム５０であるアンタッチパネル５０を模式的に示す上面図である。また、図１１は、このアンタッチパネル５０を示す模式的な側面図である。
【０１０９】
図１０および図１１に示すように、表示装置として、例えばディスプレイ５１の周辺部分には、枠体５２が設けられている。この枠体５２には、例えば上述の第１の実施形態に係る固体撮像装置１０が適用された複数のカメラ５３が設けられている。これらのカメラ５３は、図１０に示すように、例えば枠体５２の右上の角部および左上の角部に設けられている。
【０１１０】
なお、カメラ５３は、上述の第２または第３の実施形態に係る固体撮像装置３０、４０を適用したものであってもよい。
【０１１１】
このようなアンタッチパネル５０において、各カメラ５３を動き検知モードで動作させて、被写体として、例えば図１０に示す指先を撮像する。このとき、各カメラ５３が有するそれぞれの固体撮像装置１０は、静止した指先を撮像した場合に、出力回路から差分信号を出力せず、動く指先を撮像した場合に、出力回路から差分信号を出力する。さらに、差分信号が出力された場合、画像形成部２６（図３）は、この差分信号に基づく画像を形成して出力する。すなわち、アンタッチパネル５０は、各カメラ５３が有するそれぞれの固体撮像装置１０から出力される画像に基づいて、被写体である例えば指先の動きを検知する。
【０１１２】
より具体的に説明すると、例えば右上のカメラ５３によって、指先を撮像し、図１０中のｘ方向およびｚ方向の指先の動きを検知させ、左上のカメラ５３によって、指先を撮像し、図１０中のｙ方向およびｚ方向の指先の動きを検知させる。これにより、アンタッチパネル５０は、指先の３次元的な動きを検知することができる。従って、ディスプレイ５１を指先で直接触れることなく、アンタッチパネル５０を操作することができる。なお、指先が動くことにより形成される画像は、アンタッチパネル５０が、指先の動きに従って例えば描画するような場合には、ディスプレイ５１に表示してもよい。また、形成される画像は、アンタッチパネル５０が、指先の動きに応じて例えばディスプレイ５１上に表示されたゲームの登場人物等を動かす場合には、ディスプレイ５１に表示しなくてもよい。
【０１１３】
以上に示す固体撮像システム５０によれば、容易に被写体の動きを検知することができる固体撮像装置１０、３０、４０を用いたカメラ５３によって、被写体の動きを検知しているため、容易に被写体の動きを検知することができる固体撮像システム５０を提供することができる。
【０１１４】
また、本実施形態に係る固体撮像システム５０によれば、ディスプレイ５１を指先で直接触れることなく、アンタッチパネル５０を操作することができるため、ディスプレイ５１表面が汚れることを抑制することができる。
【０１１５】
また、本実施形態に係る固体撮像システム５０によれば、複数のカメラ５３によって指先の３次元的な動きを検知するため、指先がディスプレイ５１に触れたことを検知するための透明電極を、ディスプレイ５１に設ける必要がない。従って、上述の固体撮像システム５０は、従来のタッチパネルと比較して、ディスプレイ５１の明度が上昇する。
【０１１６】
（変形例）
上述の各実施形態に係る固体撮像装置１０、３０、４０は、容易に動き検知モードを実現することができるものであった。しかし、例えば第１の実施形態に係る固体撮像装置１０の基本構成をそのままに、広ダイナミックレンジモードを実現することができる。以下に、広ダイナミックレンジモードを実現する方法を説明する。なお、以下の方法の説明において、動き検知モードを実現する方法と異なる部分についてのみ説明する。
【０１１７】
図１２は、広ダイナミックレンジモードにおける、アドレストランジスタＡＤＤＲＥＳＳＴｒ、リセットトランジスタ１８、第１の読み出しゲート１５ａ、および第２の読み出しゲート１５ｂの動作と、垂直信号線ＬＳに現れる第１、第２の検出信号との関係を示すタイミングチャートである。図１３は、広ダイナミックレンジモードにおける、第１乃至第３のスイッチＳＷ１、ＳＷ２、ＳＷ３の動作と、差動増幅器Ｄｉｆｆ−ＡＭＰに入力される第１、第２の検出信号および差動増幅器Ｄｉｆｆ−ＡＭＰから出力される差分信号と、の関係を示すタイミングチャートである。
【０１１８】
なお、図１２に示される広ダイナミックレンジモードの動作は、制御部２７（図３）が、第１の実施形態において説明した出力回路に、制御信号であるモード切り替え信号として、広ダイナミックレンジモード信号を出力することにより実行される。
【０１１９】
図１２および図１３に示すように、広ダイナミックレンジモードの場合、まず、Ｔ２のタイミングでノイズ成分のみをサンプリングする。すなわち、Ｔ２のタイミングで第１のスイッチＳＷ１を一定時間だけオンする。すると、垂直信号線ＬＳには、ノイズ成分が現れる。このノイズ成分は、差動増幅器Ｄｉｆｆ−ＡＭＰのマイナス端子に入力されるとともに、キャパシタＣに入力される。従って、キャパシタＣには、ノイズ成分に基づく電位が充電される。従って、一定期間、キャパシタＣは、ノイズ成分に基づく電位を保持する。よって、第１のスイッチＳＷ１をオフしても、差動増幅器Ｄｉｆｆ−ＡＭＰのマイナス端子には、一定時間だけ、キャパシタＣに充電された電位が印加され続ける。
【０１２０】
次に、第１の画素１３ａに蓄積される第１の信号電荷の読み出しと、第２の画素１３ｂに蓄積される第２の信号電荷の読み出しとを、Ｔ３のタイミングで同時に行なう。すると、垂直信号線ＬＳには、第１の信号電荷の電荷量と第２の信号電荷の電荷量との和に相当する電荷量に基づく電位を有する検出信号が現れる。この検出信号は、ノイズ成分に重畳される。
【０１２１】
この後、図１３に示すように、Ｔ３１のタイミングで第２、第３のスイッチＳＷ２、ＳＷ３を一定時間だけオンする。すると、検出信号は、ノイズ成分とともに、差動増幅器Ｄｉｆｆ−ＡＭＰのプラス端子に入力される。
【０１２２】
このように、差動増幅器Ｄｉｆｆ−ＡＭＰのプラス端子に、検出信号およびノイズ成分に基づく電位が印加されているとき、マイナス端子には、ノイズ成分に基づく電位が印加されている。
【０１２３】
ここで、差動増幅器Ｄｉｆｆ−ＡＭＰのプラス端子およびマイナス端子に印加されているノイズ成分の電位は等しい。従って、Ｔ３１のタイミングで第３のスイッチＳＷ３を一定時間だけオンすると、差動増幅器Ｄｉｆｆ−ＡＭＰからは、差分信号として、ノイズ成分がキャンセルされた検出信号のみが出力される。
【０１２４】
次に、図１４を参照して、第１の信号電荷の読み出しと、第２の信号電荷の読み出しとを同時に行い、両者の信号電荷を加算することにより、広ダイナミックレンジモードを実現することができる理由について説明する。
【０１２５】
図１４は、広ダイナミックレンジモードを説明するための図であって、第１の実施形態に係る固体撮像装置１０の単位セル１４が受光した光量と、差動増幅器Ｄｉｆｆ−ＡＭＰから出力される差分信号の電位との関係を示すグラフである。
【０１２６】
図１４に示すように、例えば第１の画素１３ａのみによって被写体を撮像した場合、第１の画素１３ａは高感度であるため、被写体から受光する光が低光量であっても、第１のフォトダイオード１１ａ内において第１の信号電荷の電荷量は急激に増加する。従って、第１の画素１３ａのみによって被写体を撮像した場合、高感度モードが実現される。
【０１２７】
しかし、第１の画素１３ａの第１のフォトダイオード１１ａ内において、第１の信号電荷の電荷量は急激に増加するため、被写体から受光する光が高光量であった場合、第１のフォトダイオード１１ａは飽和してしまう。従って、第１の画素１３ａのみによって被写体を撮像した場合、ダイナミックレンジが狭い。
【０１２８】
反対に、例えば第２の画素１３ｂのみによって被写体を撮像した場合、第２の画素１３ｂは低感度であるため、第２の画素１３ｂの第２のフォトダイオード１１ｂ内において、第２の信号電荷の電荷量は緩やかに増加する。従って、被写体から受光する光が高光量であっても、第２のフォトダイオード１１ｂは飽和し難い。すなわち、第２の画素１３ｂのみによって被写体を撮像した場合、ダイナミックレンジが広い。
【０１２９】
しかし、第２の画素１３ｂの第２のフォトダイオード１１ｂ内において、第２の信号電荷の電荷量は緩やかに増加するため、被写体から受光する光が低光量であった場合、第２のフォトダイオード１１ｂ内において第２の信号電荷の電荷量はほとんど増加しない。従って、第２の画素１３ｂのみによって被写体を撮像した場合、感度が低下する。
【０１３０】
これらに対し、第１の信号電荷と第２の信号電荷と加算すると、被写体から受光する光が低光量であっても、第１のフォトダイオード１１ａ内において第１の信号電荷の電荷量が急激に増加するため、感度よく被写体を撮像することができる。
【０１３１】
さらに、被写体から受光する光が高光量であっても、第２のフォトダイオード１１ｂ内において第２の信号電荷の電荷量が増加するため、第２の画素１３ｂのみによって被写体を撮像した場合と同じダイナミックレンジを実現することができる。
【０１３２】
従って、第１の信号電荷の読み出しと、第２の信号電荷の読み出しとを同時に行い、両者の信号電荷を加算することにより、広ダイナミックレンジモードを実現することができる。
【０１３３】
なお、このように、動き検知モードに加えて、さらに広ダイナミックレンジモードを実現することができる固体撮像装置１０、３０、４０のいずれかを、上述の第４の実施形態のように、固体撮像システム５０であるアンタッチパネル５０に適用してもよい。動き検知モードに加えて、さらに広ダイナミックレンジモードを実現することができる固体撮像装置１０、３０、４０のいずれかを、例えば静止画を撮像するカメラ機能を有するアンタッチパネル５０に適用することは、有効である。
【０１３４】
（広ダイナミックレンジモードの変形例）
図１５は、広ダイナミックレンジモードを実現するための第１の実施形態に係る固体撮像装置の変形例を示す上面図である。図１５に示す変形例に係る固体撮像装置６０は、第１の実施形態に係る固体撮像装置１０と比較して、大きい第１のマイクロレンズ６４ａを有する高感度の第１の画素６１ａ、および第１のマイクロレンズ６４ａより小さい第２のマイクロレンズ６４ｂを有する低感度の第２の画素６１ｂによって単位セル６２が構成されている点は同じである。しかし、第１の画素６１ａの第１のフォトダイオード６３ａは、第２の画素６１ｂの第２のフォトダイオード６３ｂよりも小さい点が異なる。
【０１３５】
なお、単位セル６２に含まれる第１、第１の読み出しゲート１５ａ、１５ｂ、検出部１６、単位セルの出力回路１７、リセットトランジスタ１８、およびドレイン１９は、第１の実施形態に係る固体撮像装置１０と同様に構成される。
【０１３６】
この固体撮像装置４０であっても、第１の実施形態に係る固体撮像装置１０による撮像方法と同様に動作させることにより、動き検知モードを実現することができる。
【０１３７】
この固体撮像装置６０であっても、第１の実施形態に係る固体撮像装置１０による広ダイナミックレンジモードの撮像方法と同様に動作させることにより、広ダイナミックレンジモードを実現することができる。しかし、変形例に係る固体撮像装置６０の場合、第１の実施形態に係る固体撮像装置１０による広ダイナミックレンジモードよりさらに広いダイナミックレンジを実現することができる。以下に、この理由を説明する。
【０１３８】
図１６は、固体撮像装置６０の単位セル６２が受光した光量と、差動増幅器Ｄｉｆｆ−ＡＭＰから出力される差分信号の電位との関係を示すグラフである。
【０１３９】
図１５に示すように、第１の画素６１ａの第１のフォトダイオード６３ａを小さく形成し、第２の画素６１ｂの第２のフォトダイオード６３ｂを大きく形成すると、図１６に示すように、第１の画素６１ａの飽和レベルが低下するため、第１の画素６１ａのダイナミックレンジは小さくなるが、第２の画素６１ｂの飽和レベルが上昇するため、第２の画素６１ｂのダイナミックレンジはより広くなる。
【０１４０】
広ダイナミックレンジモードの場合におけるダイナミックレンジは、第２の画素６１ｂのダイナミックレンジと同じであるため、変形例に係る固体撮像装置６０によれば、第１の実施形態に係る固体撮像装置１０による広ダイナミックレンジモードよりさらに広いダイナミックレンジを実現することができる。
【０１４１】
以上に、本発明の実施形態を説明したが、この実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これらの新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の趣旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これらの実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
【符号の説明】
【０１４２】
１０、３０、４０、６０・・・固体撮像装置
１１ａ、４４ａ、６３ａ・・・第１のフォトダイオード
１１ｂ、４４ｂ、６３ｂ・・・第２のフォトダイオード
１２ａ、４３ａ、６４ａ・・・第１のマイクロレンズ
１２ｂ、４３ｂ、６４ｂ・・・第２のマイクロレンズ
１３ａ、４１ａ、６１ａ・・・第１の画素
１３ｂ、４１ｂ、６１ｂ・・・第２の画素
１４、４２、６２・・・単位セル
１５ａ、４５ａ・・・第１の読み出しゲート（第１のゲート電極）
１５ｂ、４５ｂ・・・第２の読み出しゲート（第２のゲート電極）
１６、４６・・・検出部
１７、４７・・・単位セルの出力回路
１７´・・・共通出力回路
１８、４８・・・リセットトランジスタ
１９、４９・・・ドレイン
２０・・・半導体基板
２１・・・酸化膜
２２・・・配線層
２３・・・配線
２４・・・絶縁体
２５・・・垂直レジスタ
２６・・・画像形成部
２７・・・制御部
５０・・・固体撮像システム（アンタッチパネル）
５１・・・ディスプレイ
５２・・・枠体
５３・・・カメラ
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、固体撮像装置および固体撮像システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、パソコンや携帯端末の入力手段として、指先をディスプレイに触れさせることなく文字を入力したり描画したりすることができる、光学式のいわゆるアンタッチパネルの開発が進められている。光学式のタッチパネルによれば、指先をディスプレイに触れさせないため、ディスプレイ表面が汚れることを抑制できる。さらに光学式のアンタッチパネルによれば、指先の動きを検知して文字を入力したり描画したりするため、指先がディスプレイに触れたことを検知する透明電極が不要になる。従って、透明電極の光吸収によってディスプレイの明度が低下することを抑制することができる。
【０００３】
また、ゲーム分野において、人間の意志を機械に伝達するための手段として、光学的に人の動きを認識させることにより画面上の登場人物の動きを変え、若しくは球技に対するリアクションに変えるシステムが普及している。
【０００４】
これらのアンタッチパネルおよびシステムに適用されるカメラには、固体撮像装置として、ＣＭＯＳセンサまたはＣＣＤセンサが使用される。例えばＣＭＯＳセンサは、大きさが等しくかつ感度が同一である複数の画素を格子状に配列したものである。例えばこのようなＣＭＯＳセンサが適用されたカメラを使用して、指先などの被写体の動きを検知する場合、動き検知用の信号処理回路を用いて、以下のような信号処理を行う必要がある。
【０００５】
すなわち、所定の時間間隔毎に動く被写体を含む所定領域を撮像し、撮像された画像同士を、動き検知用の信号処理回路を用いて比較する。画像同士を比較することによって、被写体が動いた方向および被写体が動いた距離を検出することができるため、被写体の動きを検知することができる。
【０００６】
しかし、このような信号処理は画像同士の比較に基づく処理であるため、非常に処理が複雑であり、従って処理時間も要するという問題があった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２０１１−１５２１９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
実施形態は、被写体の動きを容易に検知することができる固体撮像装置および固体撮像システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
実施形態に係る固体撮像装置は、第１の画素、第２の画素、および出力回路を有する。前記第１の画素は、光を受光して光電変換することにより第１の信号電荷を発生させる第１のフォトダイオード、およびこの第１のフォトダイオード上に形成された第１のマイクロレンズを有する。前記第２の画素は、光を受光して光電変換することにより第２の信号電荷を発生させる第２のフォトダイオード、およびこの第２のフォトダイオード上に形成された、前記第１のマイクロレンズより小さい第２のマイクロレンズを有する。さらに前記第２の画素は、前記第１の画素に対して１／ｎ倍の感度と、前記第１の画素に対してｎ倍の光電変換期間と、を有する。前記出力回路は、前記第１の信号電荷の電荷量に基づく第１の検出信号と、前記第２の信号電荷の電荷量に基づく第２の検出信号と、の差分信号を出力する。
【００１０】
また、実施形態に係る固体撮像システムは、上述の固体撮像装置を有する固体撮像システムであって、画像形成部をさらに具備する。この画像形成部は、前記固体撮像装置が有する前記出力回路から出力される前記差分信号に基づいて画像を形成して出力する。前記出力回路は、前記固体撮像装置が静止した被写体を撮像した場合に前記第１の画素の出力と前記第２の画素の出力とが等しくなることによって、ゼロを前記差分信号として出力し、一方前記固体撮像装置が動く被写体を撮像した場合に前記第１の画素の出力と前記第２の画素の出力とが異なることによって、両者の差分値を前記差分信号として出力し、前記画像形成部がこの差分信号に基づく画像を形成して出力することにより、前記被写体の動きを検知する。
【００１１】
また、実施形態に係る固体撮像装置は、第１の画素、第２の画素、出力回路、および制御部、を具備する。前記第１の画素は、光を受光して光電変換することにより第１の信号電荷を発生させる第１のフォトダイオード、およびこの第１のフォトダイオード上に形成された第１のマイクロレンズを有する。前記第２の画素は、光を受光して光電変換することにより第２の信号電荷を発生させる第２のフォトダイオード、およびこの第２のフォトダイオード上に形成された、前記第１のマイクロレンズより小さい第２のマイクロレンズを有するとともに、前記第１の画素に対して１／ｎ倍の感度を有する。前記出力回路は、前記第１の信号電荷の電荷量および前記第２の信号電荷の電荷量に基づく信号を出力する。前記制御部は、前記出力回路にモード切り替え信号を出力することにより、前記出力回路の動作を制御する。この制御部は、前記出力回路に、前記モード切り替え信号として動き検知モード信号を出力した場合に、前記出力回路は、前記第２の画素の光電変換期間が前記第１の画素の光電変換期間に対してｎ倍になるように、前記第１の画素および前記第２の画素から、前記第１の信号電荷および前記第２の信号電荷を読み出して、読み出された前記第１の信号電荷の電荷量に基づく第１の検出信号と、前記第２の信号電荷の電荷量に基づく第２の検出信号と、の差分信号を出力するように動作する。また、前記制御部は、前記出力回路に、前記モード切り替え信号として広ダイナミックレンジモード信号を出力した場合に、前記出力回路は、前記第２の画素の光電変換期間が前記第１の画素の光電変換期間より長くなるように、前記第１の画素および前記第２の画素から、前記第１の信号電荷および前記第２の信号電荷を読み出して、読み出された前記第１の信号電荷の電荷量および前記第２の信号電荷の電荷量の和に基づく信号を出力するように動作する。
【００１２】
また、実施形態に係る固体撮像システムは、上述の固体撮像装置を有する固体撮像システムであって、画像形成部をさらに具備する。この画像形成部は、前記固体撮像装置が有する前記出力回路から出力される前記信号に基づいて画像を形成して出力する。前記出力回路は、この回路が前記制御部から前記動き検知モード信号を受け取った場合、前記固体撮像装置が静止した被写体を撮像したときに前記第１の画素の出力と前記第２の画素の出力とが等しくなることによって、ゼロを前記差分信号として出力し、一方前記固体撮像装置が動く被写体を撮像したときに前記第１の画素の出力と前記第２の画素の出力とが異なることによって、両者の差分値を前記差分信号として出力し、前記画像形成部がこの差分信号に基づく画像を形成して出力することにより、前記被写体の動きを検知し、前記出力回路が前記制御部から前記広ダイナミックレンジモード信号を受け取った場合、前記固体撮像装置が被写体を撮像したときに、前記第１の信号電荷の電荷量および前記第２の信号電荷の電荷量の和に基づく信号を出力し、前記画像形成部がこの和に基づく信号に基づいて画像を形成して出力する。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】第１の実施形態に係る固体撮像装置の要部を示す上面図である。
【図２】図１の一点鎖線Ｘ−Ｘ´に沿った固体撮像装置の部分断面図である。
【図３】第１の実施形態に係る固体撮像装置における単位セルおよび垂直方向における複数の単位セルに共通して配置された共通出力回路を含む固体撮像装置の等価回路図である。
【図４】第１の画素および第２の画素における、光電変換期間と、各画素に蓄積される信号電荷の電荷量と、の関係を示すための説明図である。
【図５】動き検知モードにおける、アドレストランジスタ、リセットトランジスタ、第１の読み出しゲート、および第２の読み出しゲートの動作と、垂直信号線に現れる検出信号との関係を示すタイミングチャートである。
【図６】動き検知モードにおける、第１乃至第３のスイッチの動作と、差動増幅器に入力される検出信号および差動増幅器から出力される差分信号と、の関係を示すタイミングチャートである。
【図７】動き検知モードを説明するための説明図であって、同図（ａ）は撮像対象の例である動いている指先を示し、同図（ｂ）は第１の画素のみによって指先を撮像した場合における出力画像を示し、同図（ｃ）は同図（ｂ）の反転画像を示し、同図（ｄ）は第２の画素のみによって指先を撮像した場合における出力画像を示し、同図（ｅ）は同図（ａ）の点線Ａ−Ａ´に沿ったライン上の各セルから出力される検出信号の電位レベルを示し、同図（ｆ）は本実施形態に係る固体撮像装置による出力画像を示す。
【図８】第２の実施形態に係る固体撮像装置の要部を示す上面図である。
【図９】第３の実施形態に係る固体撮像装置の要部を示す上面図である。
【図１０】第４の実施形態に係る固体撮像システムの要部を示す上面図である。
【図１１】第４の実施形態に係る固体撮像システムの要部を示す側面図である。
【図１２】広ダイナミックレンジモードにおける、アドレストランジスタ、リセットトランジスタ、第１の読み出しゲート、および第２の読み出しゲートの動作と、垂直信号線に現れる検出信号との関係を示すタイミングチャートである。
【図１３】広ダイナミックレンジモードにおける、第１乃至第３のスイッチの動作と、差動増幅器に入力される検出信号および差動増幅器から出力される差分信号と、の関係を示すタイミングチャートである。
【図１４】広ダイナミックレンジモードを説明するための図であって、第１の実施形態に係る固体撮像装置の単位セルが受光した光量と、差動増幅器から出力される差分信号の電位との関係を示すグラフである。
【図１５】広ダイナミックレンジモードを実現するための固体撮像装置の他の変形を示す上面図である。
【図１６】図１５に示す固体撮像装置によって広ダイナミックレンジモードを説明するための図であって、固体撮像装置の単位セルが受光した光量と、差動増幅器から出力される差分信号の電位との関係を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下に、実施形態に係る固体撮像装置および固体撮像システムについて、図面を参照して詳細に説明する。
【００１５】
（第１の実施形態）
図１は、第１の実施形態に係る固体撮像装置１０の要部を示す上面図である。図１に示す固体撮像装置１０は、フォトダイオード１１ａ、１１ｂおよびマイクロレンズ１２ａ、１２ｂを有する複数の画素１３ａ、１３ｂが格子状に配列されたＣＭＯＳ型の固体撮像装置１０である。
【００１６】
この固体撮像装置１０において、縦方向において互いに隣接する画素１３ａ、１３ｂは、互いに感度が異なっている。本実施形態に係る固体撮像装置１０は、このように感度が異なる２つの画素１３ａ、１３ｂを単位セル１４とする、いわゆる２画素１セルタイプの固体撮像装置である。
【００１７】
各単位セル１４は、高感度の第１の画素１３ａと、低感度の第２の画素１３ｂと、を有する。高感度の第１の画素１３ａは、面積が大きい四角形状の第１のフォトダイオード１１ａと、この第１のフォトダイオード１１ａ上に形成された、サイズ（表面積若しくは高さ）が大きい第１のマイクロレンズ１２ａと、を有する。また、低感度の第２の画素１３ｂは、第１のフォトダイオード１１ａより面積が小さい四角形状の第２のフォトダイオード１１ｂと、この第２のフォトダイオード１１ｂ上に形成された、第１のマイクロレンズ１２ａよりサイズが小さい第２のマイクロレンズ１２ｂと、を有する。
【００１８】
なお、各画素１３ａ、１３ｂの飽和レベル、すなわち、各フォトダイオード１１ａ、１１ｂが光電変換することにより蓄えることができる最大の信号電荷量は、各フォトダイオード１１ａ、１１ｂの面積によって決まる。第１のフォトダイオード１１ａは、第２のフォトダイオード１１ｂより面積が大きいため、第１の画素１３ａの飽和レベルは、第２の画素１３ｂの飽和レベルより高い。
【００１９】
ここで、第１の画素１３ａは第２の画素１３ｂより高感度であり、第１のフォトダイオード１１ａに単位時間当たりに蓄積される信号電荷量は、第２のフォトダイオード１１ｂより多いため、本実施形態にかかる固体撮像装置１０のように、第１のフォトダイオード１１ａは、第２のフォトダイオード１１ｂより大きいことが好ましい。しかし、第１の画素１３ａおよび第２の画素１３ｂの光電変換期間内に、第１のフォトダイオード１１ａおよび第２のフォトダイオード１１ｂが共に飽和しない程度の大きさであれば、これらのフォトダイオード１１ａ、１１ｂの大きさの関係は、上述の関係に限定されない。従って、例えば後述の図１５に示す固体撮像装置６０のように、第１のフォトダイオード１１ａは、第２のフォトダイオード１１ｂより小さくてもよい。
【００２０】
また、各画素１３ａ、１３ｂの感度は、各マイクロレンズ１２ａ、１２ｂのサイズによって決まる。第１のマイクロレンズ１２ａは、第２のマイクロレンズ１２ｂより大きいサイズであるため、第１の画素１３ａの感度は、第２の画素１３ｂの感度より高い。
【００２１】
本実施形態に係る固体撮像装置１０は、このような第１の画素１３ａおよび第２の画素１３ｂを有する複数の単位セル１４が、格子状に配列されたものである。すなわち、本実施形態に係る固体撮像装置１０は、同一単位セル１４内の第１のマイクロレンズ１２ａと第２のマイクロレンズ１２ｂとが図面縦方向（以下、垂直方向と称する）において隣接し、異なる単位セル１４内のそれぞれの第１のマイクロレンズ１２ａが図面横方向（以下、水平方向と称する）において隣接するように、複数の単位セル１４が格子状に配列されたものである。この場合、異なる単位セル１４内のそれぞれの第２のマイクロレンズ１２ｂは、水平方向において近接する。
【００２２】
各単位セル１４内には、第１の画素１３ａに蓄積された信号電荷（以下、第１の信号電荷と称する）を読み出す第１の読み出しゲート１５ａ、第２の画素１３ｂに蓄積された信号電荷（以下、第２の信号電荷と称する）を読み出す第２の読み出しゲート１５ｂ、第１、第２の信号電荷を検出する検出部１６、検出された第１、第２の信号電荷に基づいて第１、第２の検出信号を出力する単位セルの出力回路１７、検出部１６を一定電位にリセットし、かつ余剰電荷を排出するリセットトランジスタ１８、一定電位にリセットし、かつ余剰電荷の排出先であるドレイン１９、が設けられている。
【００２３】
第１の読み出しゲート１５ａは、第１の画素１３ａの第１のフォトダイオード１１ａの一辺に近接する位置に設けられている。第２の読み出しゲート１５ｂは、第２の画素１３ｂの第２のフォトダイオード１１ｂの一辺に近接する位置に設けられている。
【００２４】
検出部１６は、第１の読み出しゲート１５ａと第２の読み出しゲート１５ｂとの間に設けられている。検出部１６は、第１の読み出しゲート１５ａによって第１の画素１３ａから読み出した第１の信号電荷、および第２の読み出しゲート１５ｂによって第２の画素１３ｂから読み出した第２の信号電荷を受け取る。
【００２５】
単位セルの出力回路１７は、第２の画素１３ｂに近接する位置に設けられており、検出部１６が受け取った第１、第２の信号電荷の電荷量に応じた第１、第２の検出信号を出力する回路である。
【００２６】
なお、リセットトランジスタ１８は、このトランジスタ１８と単位セルの出力回路１７とによって検出部１６を挟む位置に設けられている。リセットトランジスタ１８は、検出部１６に蓄積された余剰電荷を検出部１６から排出してリセットトランジスタ１８の近傍に設けられたドレイン１９に転送することにより、検出部１６の電位を一定に保つ。
【００２７】
図２は、図１の一点鎖線Ｘ−Ｘ´に沿った固体撮像装置１０の部分断面図である。図２に示すように、固体撮像装置１０の単位セル１４において、例えばシリコンからなるＰ型の半導体基板２０の表面には、Ｎ＋型の不純物層である第１のフォトダイオード１１ａおよび第２のフォトダイオード１１ｂが、互いに離間した位置に形成されている。また、半導体基板２０の表面において、第１のフォトダイオード１１ａと第２のフォトダイオード１１ｂとに挟まれた位置には、Ｎ＋型の不純物層である検出部１６が形成されている。
【００２８】
半導体基板２０の表面上において、第１のフォトダイオード１１ａと検出部１６との間には、酸化膜２１を介して第１の読み出しゲート１５ａである第１のゲート電極１５ａが形成されている。同様に、第２のフォトダイオード１１ｂと検出部１６との間には、酸化膜２１を介して第２の読み出しゲート１５ｂである第２のゲート電極１５ｂが形成されている。
【００２９】
また、半導体基板２０の表面上には、酸化膜２１を介して配線層２２が形成されている。この配線層２２は、上述の第１のゲート電極１５ａ、第２のゲート電極１５ｂ、および配線２３を含み、これらが絶縁体２４によって互いに絶縁されたものである。
【００３０】
配線層２２の表面上には、第１のマイクロレンズ１２ａおよび第２のマイクロレンズ１２ｂが形成されている。第１のマイクロレンズ１２ａは、第１のフォトダイオード１１ａ上に形成されており、第２のマイクロレンズ１２ｂは、第２のフォトダイオード１１ａ上に形成されている。
【００３１】
この固体撮像装置１０において、例えば第１のゲート電極１５ａに所望の電圧が印加されると、第１のゲート電極１５ａ直下の半導体基板２０の表面にチャネルが形成されるため、第１のフォトダイオード１１ａに蓄積された第１の信号電荷を、チャネルを介して検出部１６に転送することができる。同様に、第２のゲート電極１５ｂに所望の電圧が印加されると、第２のゲート電極１５ｂ直下の半導体基板２０の表面にチャネルが形成されるため、第２のフォトダイオード１１ｂに蓄積された第２の信号電荷を、チャネルを介して検出部１６に転送することができる。
【００３２】
なお、リセットトランジスタ１８における電荷の転送も、同様に行われる。
【００３３】
図３は、本実施形態に係る固体撮像装置１０における単位セル１４および垂直方向における複数の単位セル１４に共通して配置された共通出力回路１７´を含む固体撮像装置の等価回路図である。図３に示すように、高感度の第１の画素１３ａを構成する第１のフォトダイオード１１ａには、第１の読み出しゲート１５ａが接続されている。同様に、低感度の第２の画素１３ｂを構成する第２のフォトダイオード１１ｂには、第２の読み出しゲート１５ｂが接続されている。
【００３４】
第１の読み出しゲート１５ａおよび第２の読み出ゲート１５ｂの出力は、検出部１６に共通に接続されている。この検出部１６は、垂直方向において、リセットトランジスタ１８に接続されており、水平方向において、単位セルの出力回路１７に接続されている。
【００３５】
なお、単位セルの出力回路１７は、検出部１６で受けた第１、第２の信号電荷を電圧信号に変換するためのアンプトランジスタＡＭＰＴｒ、および単位セル１４を選択するためのアドレストランジスタＡＤＤＲＥＳＳＴｒからなる。上述の検出部１６は、水平方向において、単位セルの出力回路１７のアンプトランジスタＡＭＰＴｒの制御ゲートに接続されている。
【００３６】
アンプトランジスタＡＭＰＴｒのドレインは、アドレストランジスタＡＤＤＲＥＳＳＴｒに接続されており、アンプトランジスタＡＭＰＴｒのソースは、垂直信号線ＬＳを介してロードトランジスタＬＯＡＤＴｒに接続されている。
【００３７】
第１乃至第３のスイッチＳＷ１、ＳＷ２，ＳＷ３、差動増幅器Ｄｉｆｆ−ＡＭＰ、ロードトランジスタＬＯＡＤＴｒを含む共通出力回路１７´は、垂直方向に配列された複数の単位セル１４に共通して使用される。
【００３８】
第１の読み出しゲート１５ａの制御ゲートは、第１のリード線ＬＲ１を介して周辺回路である垂直レジスタ２５に接続されており、第２の読み出しゲート１５ｂの制御ゲートは、第２のリード線ＬＲ２を介して垂直レジスタ２５に接続されている。また、リセットトランジスタ１８のゲート電極は、リセット線ＬＲＳを介して垂直レジスタ２５に接続されており、アドレストランジスタＡＤＤＲＥＳＳＴｒのゲート電極は、アドレス線ＬＡを介して垂直レジスタ２５に接続されている。
【００３９】
アンプトランジスタＡＭＰＴｒの出力は、ロードトランジスタＬＯＡＤＴｒおよび第１のスイッチＳＷ１を介して差動増幅器Ｄｉｆｆ−ＡＭＰの反転入力端子（以下、マイナス端子と称する）に接続されていると同時に、ロードトランジスタＬＯＡＤＴｒおよび第２のスイッチＳＷ２を介して差動増幅器Ｄｉｆｆ−ＡＭＰの非反転入力端子（以下、プラス端子と称する）に接続されている。なお、第１のスイッチＳＷ１の出力は、差動増幅器Ｄｉｆｆ−ＡＭＰのマイナス端子に接続されると同時に、キャパシタＣを介して接地されている。
【００４０】
差動増幅器Ｄｉｆｆ−ＡＭＰの出力には、第３のスイッチＳＷ３が接続されている。そして、第３のスイッチＳＷ３には、このスイッチＳＷ３から出力される信号に基づいて画像を形成する画像形成部２６が接続されている。この画像形成部２６について詳細に説明すると、共通出力回路１７’は各垂直信号線ＬＳ下部に、それぞれ設置されている。このＳＷ３は水平レジスタ（図示せず）に連結されており、順次ＳＷ３をＯＮさせ、１水平走査線の差分出力を順次、水平出力ライン（図示せず）にて外部に出力させる。この水平レジスタ、水平出力ラインを画像形成部２６と称した。
【００４１】
また、垂直レジスタ２５および共通出力回路１７´には、これらを制御する制御部２７が接続されている。制御部２７は、垂直レジスタ２５および共通出力回路１７´に制御信号を出力することにより、これらの動作を制御する。
【００４２】
すなわち、制御部２７が垂直レジスタ２５に制御信号を出力することにより、垂直レジスタ２５は、第１の読み出しゲート１５ａ、第２の読み出しゲート１５ｂ、リセットトランジスタ１８、およびアドレストランジスタＡＤＤＲＥＳＳＴｒに、これらを所望のタイミングで動作させるための信号を出力する。
【００４３】
また、制御部２７が共通出力回路１７´に含まれる第１乃至第３のスイッチＳＷ１、ＳＷ２，ＳＷ３、およびロードトランジスタＬＯＡＤＴｒのそれぞれに所望のタイミングで制御信号を出力することにより、これらは、所望のタイミングで動作する。
【００４４】
ここで、各単位セル１４毎に設けられた第１の読み出しゲート１５ａ、第２の読み出しゲート１５ｂ、リセットトランジスタ１８、および単位セル１４の出力回路１７と、垂直レジスタ２５と、共通出力回路１７´と、を含む回路を、出力回路と称すると、制御部２７が出力回路に制御信号を出力することにより、出力回路は、所望のタイミングで所望の動作を行う。
【００４５】
次に、本実施形態に係る固体撮像装置１０による撮像方法について説明する。この撮像方法は、動き検知モードを実現する方法である。ここで、動き検知モードとは、静止状態にある被写体は画像として出力せず、動いている被写体の輪郭を画像として出力するモードである。この動き検知モードを実現する方法について、図４を参照して説明する。図４は、第１の画素１３ａおよび第２の画素１３ｂにおける、光電変換期間と、各画素１３ａ、１３ｂに蓄積される第１の信号電荷若しくは第２の信号電荷の電荷量と、の関係を示すための説明図である。図中の実線の矢印は第１の画素１３ａに蓄積される第１の信号電荷の電荷量を示し、図中の一点鎖線の矢印は第２の画素１３ｂに蓄積される第２の信号電荷の電荷量を示す。なお、以下の説明において、第１の画素１３ａと第２の画素１３ｂとの感度比は２：１であるものとする。
【００４６】
図４に示すように、まず、互いに異なる感度を有する第１の画素１３ａおよび第２の画素１３ｂにおいて、同時に光電変換を開始させる。第１の画素１３ａの感度は第２の画素１３ｂの感度の２倍であるため、光電変換によって第１の画素に蓄積される第１の信号電荷の電荷量は、第２の画素１３ｂに蓄積される第２の信号電荷の電荷量の２倍の割合で増加していく。
【００４７】
次に、所定の時間ｔ１が経過した後、第１の画素１３ａに蓄積された第１の信号電荷のみを排出する。この排出動作は、いわゆる電子シャッターであって、読み出された第１の信号電荷は、リセットトランジスタ１８を介してドレイン１９に排出される。なお、第２の画素１３ｂの光電変換は、引き続き継続させる。
【００４８】
第１の画素１３ａの電子シャッターが終了した後、再び第１の画素１３ａにおいて、光電変換を開始させる。
【００４９】
次に、電子シャッターが終了してから所定の時間ｔ１、すなわち第１の画素１３ａの光電変換期間ｔ１が経過した後、第１の画素１３ａに蓄積された第１の信号電荷を読み出す。
【００５０】
また、第１の画素１３ａに蓄積された第１の信号電荷を読み出すタイミングに対して僅かにずれたタイミング、すなわち、実質的に第２の画素１３ｂの光電変換期間ｔ２（＝２×ｔ１）が経過した後、第２の画素１３ｂに蓄積された第２の信号電荷を読み出す。
【００５１】
毎秒３０枚の画像を撮る場合において、垂直方向に５００画素有する場合、第１の画素１３ａから第１の信号電荷を読み出すタイミングと、第２の画素１３ｂから第２の信号電荷を読み出すタイミングと、の差は、例えば６４μ秒程度である。
【００５２】
なお、本実施形態において、第２の画素１３ｂの光電変換期間を第１の画素１３ａの光電変換期間の２倍に設定しているが、一般に、第１の画素１３ａが第２の画素１３ｂの感度のｎ倍である場合、両者の光電変換期間は、第２の画素１３ｂの光電変換期間が第１の画素１３ａの光電変換期間のｎ倍になるように両者の電子シャッターを働かせることにより、任意に設定できる。
【００５３】
ここで、本実施形態に係る固体撮像装置によって静止状態にある被写体を撮像した場合、第１の画素１３ａから読み出される第１の信号電荷の電荷量Ｑと、第２の画素１３ｂから読み出される第２の信号電荷の電荷量Ｑとは、図４に示すように等しくなる。しかし、動いている被写体を撮像した場合、第１の画素１３ａから読み出される第１の信号電荷の電荷量および第２の画素１３ｂから読み出される第２の信号電荷の電荷量は、等しくはなくなり、両者の間に差が生じる。
【００５４】
次に、第１の画素１３ａから読み出される第１信号電荷に基づいた第１の検出信号と、第２の画素１３ｂから読み出される第２信号電荷に基づいた第２の検出信号と、を差動増幅器Ｄｉｆｆ−ＡＭＰを用いて減算処理する。
【００５５】
前述したように、静止状態にある被写体を撮像した場合、第１の信号電荷の電荷量と第２の信号電荷の電荷量とは等しい。従って、第１の検出信号の電圧と第２の検出信号の電圧とは等しくなる。従って、第１の検出信号と第２の検出信号とを減算処理すると、差動増幅器Ｄｉｆｆ−ＡＭＰからは、差分信号としてゼロが出力される。
【００５６】
しかし、動く被写体を撮像した場合、被写体の動きに応じて第１の信号電荷の電荷量と第２の信号電荷の電荷量との間には、差が生じる。従って、第１の検出信号の電圧と第２の検出信号の電圧との間にも差が生じる。このため、第１の検出信号と第２の検出信号とを減算処理すると、差動増幅器Ｄｉｆｆ−ＡＭＰからは、第１の検出信号の電圧と第２の検出信号の電圧との差である差分信号が出力される。この差分信号を画像化することにより、固体撮像装置は、被写体の動きに応じた画像を出力する。
【００５７】
以上に説明したように、動き検知モードは、第１の画素１３ａと第２の画素１３ｂとの感度比を２：１にするとともに、第１の画素１３ａと第２の画素１３ｂとの光電変換期間比を１：２に設定し、このような第１、第２の画素１３ａ、１３ｂを用いて被写体を撮像することにより得られる第１、第２の検出信号を減算処理することにより実現される。
【００５８】
なお、動き検知モードは、一般に、第１の画素１３ａと第２の画素１３ｂとの感度比をｎ：１にするとともに、第１の画素１３ａと第２の画素１３ｂとの光電変換期間比を１：ｎに設定し、このような第１、第２の画素１３ａ、１３ｂを用いて被写体を撮像することにより得られる第１、第２の検出信号を減算処理することにより実現される。
【００５９】
以下に、上述した動き検知モードを実現する方法について、図３の等価回路図を参照しながら、図５および図６を参照してより詳細に説明する。図５は、動き検知モードにおける、アドレストランジスタＡＤＤＲＥＳＳＴｒ、リセットトランジスタ１８、第１の読み出しゲート１５ａ、および第２の読み出しゲート１５ｂの動作と、垂直信号線ＬＳに現れる第１、第２の検出信号との関係を示すタイミングチャートである。図６は、動き検知モードにおける、第１乃至第３のスイッチＳＷ１、ＳＷ２、ＳＷ３の動作と、差動増幅器Ｄｉｆｆ−ＡＭＰに入力される第１、第２の検出信号および差動増幅器Ｄｉｆｆ−ＡＭＰの出力端子から出力される差分信号と、の関係を示すタイミングチャートである。
【００６０】
なお、図５および図６に示される動き検知モードの動作は、制御部２７（図３）が、上述した出力回路に、制御信号であるモード切り替え信号として、動き検知モード信号を出力することにより実行される。
【００６１】
図３に示すアドレストランジスタＡＤＤＲＥＳＳＴｒがオフのときに、図５に示すように、Ｔ７のタイミングで、第１の読み出しゲート１５ａと第２の読み出しゲート１５ｂとを同時に一定時間αだけオンする。これらのゲート１５ａ、１５ｂをオンすることにより、第１の画素１３ａおよび第２の画素１３ｂに蓄積されていた第１、第２の信号電荷を検出部１６に排出する。なお、後に第１の画素１３ａにおいて電子シャッターを実行するため、Ｔ７のタイミングにおいて、第１の読み出しゲート１５ａは、必ずしもオンする必要はない。
【００６２】
次に、Ｔ８のタイミングで、リセットトランジスタ１８を一定時間βだけオンする。このトランジスタ１８をオンすることにより、検出部１６に蓄積された第１、第２の信号電荷を、余剰電荷としてドレイン１９に送り、検出部１６の電位を一定に保つ。なお、後にＴ１のタイミングでリセットトランジスタ１８をオンするため、このタイミングにおいては、必ずしもリセットトランジスタ１８をオンする必要はない。
【００６３】
次に、第１の読み出しゲート１５ａがオフしてから時間ｔ１−αが経過した後、Ｔ９のタイミングで再び第１の読み出しゲー１５ａを一定時間αだけオンする。すなわち、第１の画素１３ａにおいて、いわゆる電子シャッターを実行する。第１の読み出しゲート１５ａをオンすることにより、第１の画素１３ａに蓄積された第１の信号電荷を検出部１６に再び排出する。なお、このとき、第２の読み出しゲート１５ｂはオンせず、第２の画素１３ｂは、光電変換を継続する。
【００６４】
次に、Ｔ１０のタイミングで、再びリセットトランジスタ１８を一定時間βだけオンする。このトランジスタ１８をオンすることにより、検出部１６に蓄積された第１の信号電荷を、余剰電荷としてドレイン１９に送り、検出部１６の電位を一定に保つ。なお、後にＴ１のタイミングでリセットトランジスタ１８をオンするため、このタイミングにおいても、必ずしもリセットトランジスタ１８をオンする必要はない。
【００６５】
次に、アドレストランジスタＡＤＤＲＥＳＳＴｒをオンにして、Ｔ１のタイミングでリセットトランジスタ１８を一定時間βだけオンする。このリセットトランジスタ１８をオンすると、それまでに検出部１６に蓄積された第１の信号電荷若しくは第２の信号電荷がドレイン１９に排出され、検出部１６の電位が一定に保たれる。この後、リセットトランジスタ１８をオフすると、検出部１６には誘導でノイズが載り、そのノイズがアンプトランジスタＡＭＰＴｒの制御ゲートに印加される。従って、垂直信号線ＬＳにはノイズ成分が発生する。
【００６６】
次に、第１の画素１３ａにおける電子シャッターが終了してから時間ｔ１−αが経過した後、Ｔ３のタイミングで再び第１の読み出しゲート１５ａを一定時間αだけオンする。このゲート１５ａをオンすることにより、第１の画素１３ａに蓄積された第１の信号電荷を読み出す。第１の信号電荷は検出部１６で検出され、アンプトランジスタＡＭＰＴｒの制御ゲートに印加されるため、垂直信号線ＬＳに、第１の信号電荷の電荷量に基づく第１の検出信号が発生する。この第１の検出信号は、ノイズ成分に重畳される。
【００６７】
なお、Ｔ９のタイミングで第１の読み出しゲート１５ａがオフしたときからＴ３のタイミングで第１の読み出しゲート１５ａをオフするときまでの期間が、第１の画素１３ａの光電変換期間ｔ１である。
【００６８】
次に、Ｔ４のタイミングでリセットトランジスタ１８を一定時間βだけオンする。このリセットトランジスタ１８をオンすると、検出部１６の電位が一定に保たれる。この後、このリセットトランジスタ１８をオフすると、Ｔ１のタイミングでリセットトランジスタ１８をオフしたときに発生したノイズと同一レベルのノイズがリセットトランジスタ１８から発生し、垂直信号線ＬＳには再びノイズ成分が発生する。
【００６９】
この後、Ｔ７のタイミングで第２の読み出しゲート１５ｂがオフしてから時間ｔ２−αが経過した後、Ｔ６のタイミングで第２の読み出しゲート１５ｂを一定時間αだけオンする。このゲート１５ｂをオンすることにより、第２の画素１３ｂに蓄積された第２の信号電荷を読み出す。第２の信号電荷は検出部１６で検出され、アンプトランジスタＡＭＰＴｒの制御ゲートに印加されるため、垂直信号ＬＳ線に、第２の信号電荷の電荷量に基づく第２の検出信号が発生する。この第２の検出信号は、ノイズ成分に重畳される。
【００７０】
なお、Ｔ７のタイミングで第２の読み出しゲート１５ｂがオフしたときからＴ６のタイミングで第２の読み出しゲート１５ｂがオフするときまでの時間が、第２の画素１３ｂの光電変換期間ｔ２である。この光電変換期間ｔ２は、実際は、第１の画素１３ａの光電変換期間ｔ１の２倍よりも僅かに長い。しかし、Ｔ３とＴ６とのタイミングを、実質的にｔ２＝２×ｔ１になるように、両者のタイミングずれを僅かにすることにより、第２の画素１３ｂの光電変換期間ｔ２を、第１の画素１３ａの光電変換期間ｔ１の２倍とみなすことができる。
【００７１】
このように、第２の画素１３ｂの光電変換期間ｔ２を、第１の画素１３ａの光電変換期間ｔ１の２倍とみなす一方で、第２の画素１３ｂの感度は、第１の感度１３ａの１／２倍である。従って、静止状態にある被写体を撮像した場合、第１の画素１３ａから読み出される第１の信号電荷の電荷量と第２の画素１３ｂから読み出される第２の信号電荷の電荷量とは、ほぼ同一になる。しかし、動く被写体を撮像した場合、第１の信号電荷の電荷量と第２の信号電荷の電荷量との間には、差が生ずる。
【００７２】
図５に示すように、Ｔ３のタイミングで第１の信号電荷を読み出すと、この後、図６に示すように、Ｔ３１のタイミングで第１のスイッチＳＷ１を一定時間だけオンする。すると、第１の信号電荷の電荷量に基づく第１の検出信号は、ノイズ成分とともに、差動増幅器Ｄｉｆｆ−ＡＭＰのマイナス端子に入力される。これとともに、キャパシタＣには、第１の検出信号およびノイズ成分が入力される。従って、キャパシタＣには、第１の検出信号およびノイズ成分が有する電位が充電される。従って、一定期間、キャパシタＣは、第１の検出信号およびノイズ成分が有する電位を保持する。よって、第１のスイッチＳＷ１をオフしても、差動増幅器Ｄｉｆｆ−ＡＰＭのマイナス端子には、一定時間だけ、キャパシタＣに充電された電位が印加され続ける。
【００７３】
また、図５に示すように、Ｔ６のタイミングで第２の画素１３ｂから第２の信号電荷を読み出すと、この後、図６に示すように、Ｔ６２のタイミングで第２、第３のスイッチＳＷ２、ＳＷ３を一定時間だけオンする。すると、第２の信号電荷の電荷量に基づく第２の検出信号は、ノイズ成分とともに、差動増幅器Ｄｉｆｆ−ＡＭＰのプラス端子に入力される。
【００７４】
差動増幅器Ｄｉｆｆ−ＡＰＭのプラス端子に、第２の検出信号およびノイズ成分が有する電位が印加されているとき、マイナス端子には、第１の検出信号およびノイズ成分が有する電位が印加されている。
【００７５】
ここで、第１の画素１３ａから読み出される第１の信号電荷の電荷量と、第２の画素１３ｂから読み出される第２の信号電荷の電荷量と、が同一である場合、第１の検出信号の電位と第２の検出信号の電位と、は等しい。さらに、それぞれの検出信号に重畳されているノイズ成分の電位も等しい。従って、Ｔ６２のタイミングで第３のスイッチＳＷ３を一定時間だけオンすると、差動増幅器Ｄｉｆｆ−ＡＭＰからは、差分信号としてゼロが出力される。何も出力されない。なお、ノイズ成分もキャンセルして出力されない。
【００７６】
このように、静止した状態にある被写体を撮像し、第１の画素１３ａから読み出される第１の信号電荷の電荷量と、第２の画素１３ｂから読み出される第２の信号電荷の電荷量と、が同一である場合、差動増幅器Ｄｉｆｆ−ＡＭＰからは、差分信号としてゼロが出力される。従って、静止状態にある被写体を撮像しても、固体撮像装置からは、出力画像は出力されない。
【００７７】
しかし、被写体が動いている場合、その動きに応じて、第１の信号電荷の電荷量と第２の信号電荷の電荷量との間に差が生じるようになり、差動増幅器Ｄｉｆｆ−ＡＭＰからは、第１の検出信号と第２の検出信号との差に基づく差分信号が出力される。従って、被写体が動いているとき、固体撮像装置からは、差分信号に基づく画像が出力される。このようにして、動き検知モードが実現される。
【００７８】
以下に、図７を参照して、本実施形態に係る固体撮像装置１０による動き検知モードをさらに説明する。図７は、本実施形態に係る固体撮像装置１０による動き検知モードをより具体的に説明するための説明図であって、同図（ａ）は被写体の例である動いている指先を示し、同図（ｂ）は第１の画素のみによって指先を撮像した場合における出力画像を示し、同図（ｃ）は同図（ｂ）の反転画像を示し、同図（ｄ）は第２の画素のみによって指先を撮像した場合における出力画像を示し、同図（ｅ）は同図（ａ）の点線Ａ−Ａ´に沿ったライン上の各セルから出力される出力信号の電位レベルを示し、同図（ｆ）は本実施形態に係る固体撮像装置による出力画像を示す。なお、以下の説明においても、第１の画素と第２の画素との感度比は２：１であるものとする。
【００７９】
図７（ａ）に示すように、時間Δ１の間に、Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３の順に連続して動く指先を、本実施形態に係る固体撮像装置１０による動き検知モードで撮像した場合を考える。
【００８０】
ここで、光電変換期間がｔ１である第１の画素１３ａは、指先がＬ２の位置に存在するタイミングで撮像を開始し、Ｌ３の位置に存在するタイミングで撮像を終了したものとする。また、光電変換期間がｔ２である第２の画素１３ｂは、指先がＬ１の位置に存在するタイミングで撮像を開始し、Ｌ３の位置に存在するタイミングで撮像を終了したものとする。
【００８１】
このとき、図７（ｂ）に示すように、動く指先を第１の画素１３ａのみによって撮像した場合、その出力画像は、光電変換期間ｔ１に対応する太さの指先の画像が出力される。なお、図７（ｃ）は、図７（ｂ）の反転出力画像を示す。
【００８２】
また、図７（ｄ）に示すように、動く指先を第２の画素１３ｂのみによって撮像した場合、その出力画像は、光電変換期間ｔ２に対応する太さの指先の画像が出力される。
【００８３】
ここで、第１の画素１３ａによる撮像によって得られる第１の検出信号は差動増幅器Ｄｉｆｆ−ＡＭＰのマイナス端子に入力され、第２の画素１３ｂによる撮像によって得られる第１の検出信号は差動増幅器Ｄｉｆｆ−ＡＭＰのプラス端子に入力されることによって、両者の差分信号が出力信号として出力される。すなわち、差動増幅器Ｄｉｆｆ−ＡＭＰからは、図７（ｂ）の反転画像である図７（ｃ）に示す画像と図７（ｄ）に示す画像との和に相当する画像が出力される。
【００８４】
すなわち、図７（ａ）に示すように動く指先を撮像すると、図７（ｅ）に示すように、位置Ｌ１における各セルから出力される差分信号の電位レベルは、指先が動く方向に沿ってマイナスに下降する。位置Ｌ２における各セルから出力される差分信号の電位レベルは、指先が動く方向に沿って上昇し、点Ｐ（位置Ｌ１〜Ｌ３の中点）においてゼロとなり、指先が動く方向に沿ってさらに上昇する。位置Ｌ３における各セルから出力される出力信号の電位レベルは、指先が動く方向に沿って下降する。
【００８５】
これを画像化した場合、図７（ｆ）に示すように、動きがないように見える位置Ｌ２付近の各セルからは画像が出力されず、動きがあるように見える位置Ｌ１、Ｌ３付近の各セルからは画像が出力され、動きがある指先の輪郭のみが出力される。このようにして、動き検知モードが実現される。
【００８６】
以上に説明した第１の実施形態に係る固体撮像装置によれば、第１の画素１３ａと第２の画素１３ｂとの感度比をｎ：１にするとともに、第１の画素１３ａと第２の画素１３ｂとの光電変換期間比を１：ｎに設定し、このような第１、第２の画素１３ａ、１３ｂを用いて被写体を撮像することにより得られる第１、第２の検出信号を減算処理することにより、被写体の動きを検知することができる。従って、画像同士を比較する複雑な信号処理を行うことなく、容易に被写体の動きを検知することができる。
【００８７】
（動き検知モードの変形例）
上述の動き検知モードは、図５に示すように、Ｔ２、Ｔ５のタイミングにおいてノイズ成分のみを検出してもよい。すなわち、まず、上記タイミングでノイズを検出し、差動増幅器Ｄｉｆｆ−ＡＭＰによって第１、第２の検出信号に重畳されるそれぞれのノイズを除去する。次に、ノイズが除去された第１の検出信号と第２の検出信号との差をとる。これにより、動き検知モードを実現してもよい。
【００８８】
なお、ノイズが除去された第１の検出信号および第２の検出信号をそれぞれ別個に取り出せば、第１の画素１３ａと第２の画素１３ｂとは、それぞれ独立して撮像対象を撮像することになる。この場合、高解像度モードが実現される。
【００８９】
（第２の実施形態）
図８は、第２の実施形態に係る固体撮像装置３０の要部を示す上面図である。第２の固体撮像装置３０は、第１の固体撮像装置１０と比較して、単位セル１４の配置が異なる。
【００９０】
図８に示すように、第２の実施形態に係る固体撮像装置３０は、複数の第１のマイクロレンズ１２ａ、および複数の第２のマイクロレンズ１２ｂが市松状に配列されるように、複数の単位セル１４が配列されたものである。
【００９１】
すなわち、本実施形態に係る固体撮像装置３０は、複数の第１のマイクロレンズ１２ａが市松状に配列されるとともに、各第２のマイクロレンズ１２ｂを第１のマイクロレンズ１２ａの隙間に配置することによって複数の第２のマイクロレンズ１２ｂが市松状に配列されるように、複数の単位セル１４が配列されたものである。
【００９２】
この固体撮像装置３０であっても、第１の実施形態に係る固体撮像装置１０による撮像方法と同様に動作させることにより、動き検知モードを実現することができる。
【００９３】
以上に説明した第２の実施形態に係る固体撮像装置３０であっても、第１の画素１３ａと第２の画素１３ｂとの感度比をｎ：１にするとともに、第１の画素１３ａと第２の画素１３ｂとの光電変換期間比を１：ｎに設定し、このような第１、第２の画素１３ａ、１３ｂを用いて被写体を撮像することにより得られる第１、第２の検出信号を減算処理する。従って、第１の実施形態に係る固体撮像装置１０と同様の理由により、容易に被写体の動きを検知することができる。
【００９４】
さらに、第２の実施形態に係る固体撮像装置３０によれば、第１の実施形態に係る固体撮像装置１０と比較して、第１、第２のマイクロレンズ１２ａ、１２ｂの隙間が減少しているため、より多くの光を受光することができる。従って、より感度が向上した固体撮像装置３０を提供することができる。
【００９５】
（第３の実施形態）
図９は、第３の実施形態に係る固体撮像装置４０の要部を示す上面図である。第３の固体撮像装置４０は、斜め方向において互いに隣接する画素４１ａ、４１ｂの感度が互いに異なっている。本実施形態に係る固体撮像装置４０は、感度が異なる２つの画素４１ａ、４１ｂを単位セル４２とする、いわゆる２画素１セルタイプの固体撮像装置である。
【００９６】
さらに、この固体撮像装置４０は、単位セル毎に赤、緑、青のいずれかの光を透過させる色フィルタＲ１、Ｒ２、Ｇｒ１、Ｇｒ２、Ｇｂ１、Ｇｂ２、Ｂ１、Ｂ２を、配線層２２（図２）と第１、第２のマイクロレンズ４３ａ、４３ｂとの間に有するものである。赤色の光を透過させる赤色フィルタＲ１、Ｒ２、緑色の光を透過させる緑色フィルタＧｒ１、Ｇｒ２、Ｇｂ１、Ｇｂ２、および青色の光を透過させる青色フィルタＢ１、Ｂ２は、単位セル４２の配列に応じてベイヤー配列されている。
【００９７】
各単位セル４２は、高感度の第１の画素４１ａと、低感度の第２の画素４１ｂと、を有する。高感度の第１の画素４１ａは、面積が大きい六角形状の第１のフォトダイオード４４ａと、この第１のフォトダイオード４４ａ上に形成された、サイズが大きい第１のマイクロレンズ４３ａと、を有する。また、低感度の第２の画素４１ｂは、第１のフォトダイオード４４ａより面積が小さい六角形状の第２のフォトダイオード４４ｂと、この第２のフォトダイオード４４ｂ上に形成された、第１のマイクロレンズ４３ａよりサイズが小さい第２のマイクロレンズ４３ｂと、を有する。
【００９８】
本実施形態に係る固体撮像装置４０は、複数の単位セル４２を有し、これらがそれぞれ図面斜め方向に向くように配置されるとともに、複数の第１のマイクロレンズ４３ａ、および複数の第２のマイクロレンズ４３ｂが市松状に配列されるように、複数の単位セル４２が配列されたものである。
【００９９】
すなわち、本実施形態に係る固体撮像装置４０は、複数の第１のマイクロレンズ４３ａが市松状に配列されるとともに、各第２のマイクロレンズ４３ｂを第１のマイクロレンズ４３ａの隙間に配置することによって複数の第２のマイクロレンズ４３ｂが市松状に配列されるように、複数の単位セル４２が配列されたものである。
【０１００】
各単位セル４２内には、第１、第２の読み出しゲート４５ａ、４５ｂ、検出部４６、単位セルの出力回路４７、リセットトランジスタ４８、ドレイン４９、が設けられている。
【０１０１】
第１の読み出しゲート４５ａは、第１の画素４１ａの第１のフォトダイオード４４ａの一辺に近接する位置に設けられている。第２の読み出しゲート４５ｂは、第２の画素４１ｂの第２のフォトダイオード４４ｂの一辺に近接する位置であって、第１の読み出しゲート４５ａに対して垂直に設けられている。
【０１０２】
検出部４６および単位セルの出力回路４７は、単位セル４２内における第１の画素４１ａと第２の画素４１ｂとの間に設けられている。検出部４６は、第１の読み出しゲート４５ａと第２の読み出しゲート４５ｂとの間に設けられており、単位セルの出力回路４７は、検出部４６に対向する位置に設けられている。
【０１０３】
リセットトランジスタ４８は、検出部４６に近接する位置に設けられており、ドレイン４９は、この領域４９と検出部４６とによって、リセットトランジスタ４８を挟む位置に設けられている。
【０１０４】
このような単位セル４２が配列された固体撮像装置４０において、複数の垂直信号線ＬＳＧｒ、ＬＳＢ、ＬＳＧｂ、ＬＳＲのそれぞれは、垂直方向において同一色の色フィルタを有する複数の単位セル４２のそれぞれの単位セルの出力回路４７に共通に接続されている。垂直信号線ＬＳＧｒ、ＬＳＢ、ＬＳＧｂ、ＬＳＲに対して交差する複数の水平信号線ＬＨ１は、水平方向において隣接する複数の単位セル４２のそれぞれの第１の読み出しゲート４５ａに共通に接続されている。複数の水平信号線ＬＨ１の間に、水平信号線ＬＨ１に対して平行に配置される複数の水平信号線ＬＨ２は、水平方向において隣接する複数の単位セル４２のそれぞれの第２の読み出しゲート４５ｂに共通に接続されている。
【０１０５】
この固体撮像装置４０であっても、第１の実施形態に係る固体撮像装置１０による撮像方法と同様に動作させることにより、動き検知モードを実現することができる。
【０１０６】
以上に説明した第３の実施形態に係る固体撮像装置４０であっても、第１の画素４１ａと第２の画素４１ｂとの感度比をｎ：１にするとともに、第１の画素４１ａと第２の画素４１ｂとの光電変換期間比を１：ｎに設定し、このような第１、第２の画素４１ａ、４１ｂを用いて被写体を撮像することにより得られる第１、第２の検出信号を減算処理する。従って、第１の実施形態に係る固体撮像装置１０と同様の理由により、容易に被写体の動きを検知することができる。
【０１０７】
さらに、第３の実施形態に係る固体撮像装置４０によれば、各単位セル４２内における第１の画素４１ａと第２の画素４１ｂとは、それぞれ同一色の色フィルタを備えている。さらに、各単位セル４２内の同一色の２つのフィルタを１つの色フィルタとみなすと、１つであるとみなされる赤色フィルタＲ、緑色フィルタＧｒ、Ｇｂ、青色フィルタＢは、ベイヤー配列されている。従って、差動増幅器Ｄｉｆｆ−ＡＭＰから出力される差分信号から色を有する画像を形成するための画像処理回路（図示せず）は、通常に用いられている画像処理回路をそのまま適用することができる。
【０１０８】
（第４の実施形態）
図１０は、上述の第１乃至第３のいずれかの固体撮像装置１０、３０、４０を用いた固体撮像システム５０であるアンタッチパネル５０を模式的に示す上面図である。また、図１１は、このアンタッチパネル５０を示す模式的な側面図である。
【０１０９】
図１０および図１１に示すように、表示装置として、例えばディスプレイ５１の周辺部分には、枠体５２が設けられている。この枠体５２には、例えば上述の第１の実施形態に係る固体撮像装置１０が適用された複数のカメラ５３が設けられている。これらのカメラ５３は、図１０に示すように、例えば枠体５２の右上の角部および左上の角部に設けられている。
【０１１０】
なお、カメラ５３は、上述の第２または第３の実施形態に係る固体撮像装置３０、４０を適用したものであってもよい。
【０１１１】
このようなアンタッチパネル５０において、各カメラ５３を動き検知モードで動作させて、被写体として、例えば図１０に示す指先を撮像する。このとき、各カメラ５３が有するそれぞれの固体撮像装置１０は、静止した指先を撮像した場合に、出力回路から差分信号を出力せず、動く指先を撮像した場合に、出力回路から差分信号を出力する。さらに、差分信号が出力された場合、画像形成部２６（図３）は、この差分信号に基づく画像を形成して出力する。すなわち、アンタッチパネル５０は、各カメラ５３が有するそれぞれの固体撮像装置１０から出力される画像に基づいて、被写体である例えば指先の動きを検知する。
【０１１２】
より具体的に説明すると、例えば右上のカメラ５３によって、指先を撮像し、図１０中のｘ方向およびｚ方向の指先の動きを検知させ、左上のカメラ５３によって、指先を撮像し、図１０中のｙ方向およびｚ方向の指先の動きを検知させる。これにより、アンタッチパネル５０は、指先の３次元的な動きを検知することができる。従って、ディスプレイ５１を指先で直接触れることなく、アンタッチパネル５０を操作することができる。なお、指先が動くことにより形成される画像は、アンタッチパネル５０が、指先の動きに従って例えば描画するような場合には、ディスプレイ５１に表示してもよい。また、形成される画像は、アンタッチパネル５０が、指先の動きに応じて例えばディスプレイ５１上に表示されたゲームの登場人物等を動かす場合には、ディスプレイ５１に表示しなくてもよい。
【０１１３】
以上に示す固体撮像システム５０によれば、容易に被写体の動きを検知することができる固体撮像装置１０、３０、４０を用いたカメラ５３によって、被写体の動きを検知しているため、容易に被写体の動きを検知することができる固体撮像システム５０を提供することができる。
【０１１４】
また、本実施形態に係る固体撮像システム５０によれば、ディスプレイ５１を指先で直接触れることなく、アンタッチパネル５０を操作することができるため、ディスプレイ５１表面が汚れることを抑制することができる。
【０１１５】
また、本実施形態に係る固体撮像システム５０によれば、複数のカメラ５３によって指先の３次元的な動きを検知するため、指先がディスプレイ５１に触れたことを検知するための透明電極を、ディスプレイ５１に設ける必要がない。従って、上述の固体撮像システム５０は、従来のタッチパネルと比較して、ディスプレイ５１の明度が上昇する。
【０１１６】
（変形例）
上述の各実施形態に係る固体撮像装置１０、３０、４０は、容易に動き検知モードを実現することができるものであった。しかし、例えば第１の実施形態に係る固体撮像装置１０の基本構成をそのままに、広ダイナミックレンジモードを実現することができる。以下に、広ダイナミックレンジモードを実現する方法を説明する。なお、以下の方法の説明において、動き検知モードを実現する方法と異なる部分についてのみ説明する。
【０１１７】
図１２は、広ダイナミックレンジモードにおける、アドレストランジスタＡＤＤＲＥＳＳＴｒ、リセットトランジスタ１８、第１の読み出しゲート１５ａ、および第２の読み出しゲート１５ｂの動作と、垂直信号線ＬＳに現れる第１、第２の検出信号との関係を示すタイミングチャートである。図１３は、広ダイナミックレンジモードにおける、第１乃至第３のスイッチＳＷ１、ＳＷ２、ＳＷ３の動作と、差動増幅器Ｄｉｆｆ−ＡＭＰに入力される第１、第２の検出信号および差動増幅器Ｄｉｆｆ−ＡＭＰから出力される差分信号と、の関係を示すタイミングチャートである。
【０１１８】
なお、図１２に示される広ダイナミックレンジモードの動作は、制御部２７（図３）が、第１の実施形態において説明した出力回路に、制御信号であるモード切り替え信号として、広ダイナミックレンジモード信号を出力することにより実行される。
【０１１９】
図１２および図１３に示すように、広ダイナミックレンジモードの場合、まず、Ｔ２のタイミングでノイズ成分のみをサンプリングする。すなわち、Ｔ２のタイミングで第１のスイッチＳＷ１を一定時間だけオンする。すると、垂直信号線ＬＳには、ノイズ成分が現れる。このノイズ成分は、差動増幅器Ｄｉｆｆ−ＡＭＰのマイナス端子に入力されるとともに、キャパシタＣに入力される。従って、キャパシタＣには、ノイズ成分に基づく電位が充電される。従って、一定期間、キャパシタＣは、ノイズ成分に基づく電位を保持する。よって、第１のスイッチＳＷ１をオフしても、差動増幅器Ｄｉｆｆ−ＡＭＰのマイナス端子には、一定時間だけ、キャパシタＣに充電された電位が印加され続ける。
【０１２０】
次に、第１の画素１３ａに蓄積される第１の信号電荷の読み出しと、第２の画素１３ｂに蓄積される第２の信号電荷の読み出しとを、Ｔ３のタイミングで同時に行なう。すると、垂直信号線ＬＳには、第１の信号電荷の電荷量と第２の信号電荷の電荷量との和に相当する電荷量に基づく電位を有する検出信号が現れる。この検出信号は、ノイズ成分に重畳される。
【０１２１】
この後、図１３に示すように、Ｔ３１のタイミングで第２、第３のスイッチＳＷ２、ＳＷ３を一定時間だけオンする。すると、検出信号は、ノイズ成分とともに、差動増幅器Ｄｉｆｆ−ＡＭＰのプラス端子に入力される。
【０１２２】
このように、差動増幅器Ｄｉｆｆ−ＡＭＰのプラス端子に、検出信号およびノイズ成分に基づく電位が印加されているとき、マイナス端子には、ノイズ成分に基づく電位が印加されている。
【０１２３】
ここで、差動増幅器Ｄｉｆｆ−ＡＭＰのプラス端子およびマイナス端子に印加されているノイズ成分の電位は等しい。従って、Ｔ３１のタイミングで第３のスイッチＳＷ３を一定時間だけオンすると、差動増幅器Ｄｉｆｆ−ＡＭＰからは、差分信号として、ノイズ成分がキャンセルされた検出信号のみが出力される。
【０１２４】
次に、図１４を参照して、第１の信号電荷の読み出しと、第２の信号電荷の読み出しとを同時に行い、両者の信号電荷を加算することにより、広ダイナミックレンジモードを実現することができる理由について説明する。
【０１２５】
図１４は、広ダイナミックレンジモードを説明するための図であって、第１の実施形態に係る固体撮像装置１０の単位セル１４が受光した光量と、差動増幅器Ｄｉｆｆ−ＡＭＰから出力される差分信号の電位との関係を示すグラフである。
【０１２６】
図１４に示すように、例えば第１の画素１３ａのみによって被写体を撮像した場合、第１の画素１３ａは高感度であるため、被写体から受光する光が低光量であっても、第１のフォトダイオード１１ａ内において第１の信号電荷の電荷量は急激に増加する。従って、第１の画素１３ａのみによって被写体を撮像した場合、高感度モードが実現される。
【０１２７】
しかし、第１の画素１３ａの第１のフォトダイオード１１ａ内において、第１の信号電荷の電荷量は急激に増加するため、被写体から受光する光が高光量であった場合、第１のフォトダイオード１１ａは飽和してしまう。従って、第１の画素１３ａのみによって被写体を撮像した場合、ダイナミックレンジが狭い。
【０１２８】
反対に、例えば第２の画素１３ｂのみによって被写体を撮像した場合、第２の画素１３ｂは低感度であるため、第２の画素１３ｂの第２のフォトダイオード１１ｂ内において、第２の信号電荷の電荷量は緩やかに増加する。従って、被写体から受光する光が高光量であっても、第２のフォトダイオード１１ｂは飽和し難い。すなわち、第２の画素１３ｂのみによって被写体を撮像した場合、ダイナミックレンジが広い。
【０１２９】
しかし、第２の画素１３ｂの第２のフォトダイオード１１ｂ内において、第２の信号電荷の電荷量は緩やかに増加するため、被写体から受光する光が低光量であった場合、第２のフォトダイオード１１ｂ内において第２の信号電荷の電荷量はほとんど増加しない。従って、第２の画素１３ｂのみによって被写体を撮像した場合、感度が低下する。
【０１３０】
これらに対し、第１の信号電荷と第２の信号電荷と加算すると、被写体から受光する光が低光量であっても、第１のフォトダイオード１１ａ内において第１の信号電荷の電荷量が急激に増加するため、感度よく被写体を撮像することができる。
【０１３１】
さらに、被写体から受光する光が高光量であっても、第２のフォトダイオード１１ｂ内において第２の信号電荷の電荷量が増加するため、第２の画素１３ｂのみによって被写体を撮像した場合と同じダイナミックレンジを実現することができる。
【０１３２】
従って、第１の信号電荷の読み出しと、第２の信号電荷の読み出しとを同時に行い、両者の信号電荷を加算することにより、広ダイナミックレンジモードを実現することができる。
【０１３３】
なお、このように、動き検知モードに加えて、さらに広ダイナミックレンジモードを実現することができる固体撮像装置１０、３０、４０のいずれかを、上述の第４の実施形態のように、固体撮像システム５０であるアンタッチパネル５０に適用してもよい。動き検知モードに加えて、さらに広ダイナミックレンジモードを実現することができる固体撮像装置１０、３０、４０のいずれかを、例えば静止画を撮像するカメラ機能を有するアンタッチパネル５０に適用することは、有効である。
【０１３４】
（広ダイナミックレンジモードの変形例）
図１５は、広ダイナミックレンジモードを実現するための第１の実施形態に係る固体撮像装置の変形例を示す上面図である。図１５に示す変形例に係る固体撮像装置６０は、第１の実施形態に係る固体撮像装置１０と比較して、大きい第１のマイクロレンズ６４ａを有する高感度の第１の画素６１ａ、および第１のマイクロレンズ６４ａより小さい第２のマイクロレンズ６４ｂを有する低感度の第２の画素６１ｂによって単位セル６２が構成されている点は同じである。しかし、第１の画素６１ａの第１のフォトダイオード６３ａは、第２の画素６１ｂの第２のフォトダイオード６３ｂよりも小さい点が異なる。
【０１３５】
なお、単位セル６２に含まれる第１、第１の読み出しゲート１５ａ、１５ｂ、検出部１６、単位セルの出力回路１７、リセットトランジスタ１８、およびドレイン１９は、第１の実施形態に係る固体撮像装置１０と同様に構成される。
【０１３６】
この固体撮像装置４０であっても、第１の実施形態に係る固体撮像装置１０による撮像方法と同様に動作させることにより、動き検知モードを実現することができる。
【０１３７】
この固体撮像装置６０であっても、第１の実施形態に係る固体撮像装置１０による広ダイナミックレンジモードの撮像方法と同様に動作させることにより、広ダイナミックレンジモードを実現することができる。しかし、変形例に係る固体撮像装置６０の場合、第１の実施形態に係る固体撮像装置１０による広ダイナミックレンジモードよりさらに広いダイナミックレンジを実現することができる。以下に、この理由を説明する。
【０１３８】
図１６は、固体撮像装置６０の単位セル６２が受光した光量と、差動増幅器Ｄｉｆｆ−ＡＭＰから出力される差分信号の電位との関係を示すグラフである。
【０１３９】
図１５に示すように、第１の画素６１ａの第１のフォトダイオード６３ａを小さく形成し、第２の画素６１ｂの第２のフォトダイオード６３ｂを大きく形成すると、図１６に示すように、第１の画素６１ａの飽和レベルが低下するため、第１の画素６１ａのダイナミックレンジは小さくなるが、第２の画素６１ｂの飽和レベルが上昇するため、第２の画素６１ｂのダイナミックレンジはより広くなる。
【０１４０】
広ダイナミックレンジモードの場合におけるダイナミックレンジは、第２の画素６１ｂのダイナミックレンジと同じであるため、変形例に係る固体撮像装置６０によれば、第１の実施形態に係る固体撮像装置１０による広ダイナミックレンジモードよりさらに広いダイナミックレンジを実現することができる。
【０１４１】
以上に、本発明の実施形態を説明したが、この実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これらの新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の趣旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これらの実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
【符号の説明】
【０１４２】
１０、３０、４０、６０・・・固体撮像装置
１１ａ、４４ａ、６３ａ・・・第１のフォトダイオード
１１ｂ、４４ｂ、６３ｂ・・・第２のフォトダイオード
１２ａ、４３ａ、６４ａ・・・第１のマイクロレンズ
１２ｂ、４３ｂ、６４ｂ・・・第２のマイクロレンズ
１３ａ、４１ａ、６１ａ・・・第１の画素
１３ｂ、４１ｂ、６１ｂ・・・第２の画素
１４、４２、６２・・・単位セル
１５ａ、４５ａ・・・第１の読み出しゲート（第１のゲート電極）
１５ｂ、４５ｂ・・・第２の読み出しゲート（第２のゲート電極）
１６、４６・・・検出部
１７、４７・・・単位セルの出力回路
１７´・・・共通出力回路
１８、４８・・・リセットトランジスタ
１９、４９・・・ドレイン
２０・・・半導体基板
２１・・・酸化膜
２２・・・配線層
２３・・・配線
２４・・・絶縁体
２５・・・垂直レジスタ
２６・・・画像形成部
２７・・・制御部
５０・・・固体撮像システム（アンタッチパネル）
５１・・・ディスプレイ
５２・・・枠体
５３・・・カメラ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光を受光して光電変換することにより第１の信号電荷を発生させる第１のフォトダイオード、およびこの第１のフォトダイオード上に形成された第１のマイクロレンズを有する第１の画素と、
光を受光して光電変換することにより第２の信号電荷を発生させる第２のフォトダイオード、およびこの第２のフォトダイオード上に形成された、前記第１のマイクロレンズより小さい第２のマイクロレンズを有するとともに、前記第１の画素に対して１／ｎ倍の感度と、前記第１の画素に対してｎ倍の光電変換期間と、を有する第２の画素と、
前記第１の信号電荷の電荷量に基づく第１の検出信号と、前記第２の信号電荷の電荷量に基づく第２の検出信号と、の差分信号を出力する出力回路と、
を具備することを特徴とする固体撮像装置。
【請求項２】
前記第１の画素、前記第２の画素、および前記出力回路を含む単位セルを複数有し、
これらの単位セルは、格子状に配列されたことを特徴とする請求項１に記載の固体撮像装置。
【請求項３】
前記第１の画素、前記第２の画素、および前記出力回路を含む単位セルを複数有し、
これらの単位セルは、複数の第１のマイクロレンズおよび複数の第２のマイクロレンズがそれぞれ市松状に配列されるように、配列されたことを特徴とする請求項１に記載の固体撮像装置。
【請求項４】
前記第１のフォトダイオードと前記第１のマイクロレンズとの間に、赤色、青色、緑色のいずれか一色の光を透過させるカラーフィルタを有する前記第１の画素、前記第２のフォトダイオードと前記第２のマイクロレンズとの間に、前記第１の画素が有するカラーフィルタと同一色の光を透過させるカラーフィルタを有する前記第２の画素、および前記出力回路を含む単位セルを複数有し、
これらの単位セルは、前記カラーフィルタがベイヤー配列されるように、配列されたことを特徴とする請求項１または３に記載の固体撮像装置。
【請求項５】
前記請求項１乃至４のいずれかに記載の固体撮像装置を有する固体撮像システムであって、
前記固体撮像装置は、前記出力回路から出力される前記差分信号に基づいて画像を形成して出力する画像形成部をさらに具備し、
前記出力回路は、前記固体撮像装置が静止した被写体を撮像した場合に前記第１の画素の出力と前記第２の画素の出力とが等しくなることによって、ゼロを前記差分信号として出力し、一方前記固体撮像装置が動く被写体を撮像した場合に前記第１の画素の出力と前記第２の画素の出力とが異なることによって、両者の差分値を前記差分信号として出力し、前記画像形成部がこの差分信号に基づく画像を形成して出力することにより、前記被写体の動きを検知することを特徴とする固体撮像システム。
【請求項６】
光を受光して光電変換することにより第１の信号電荷を発生させる第１のフォトダイオード、およびこの第１のフォトダイオード上に形成された第１のマイクロレンズを有する第１の画素と、
光を受光して光電変換することにより第２の信号電荷を発生させる第２のフォトダイオード、およびこの第２のフォトダイオード上に形成された、前記第１のマイクロレンズより小さい第２のマイクロレンズを有するとともに、前記第１の画素に対して１／ｎ倍の感度を有する第２の画素と、
前記第１の信号電荷の電荷量および前記第２の信号電荷の電荷量に基づく信号を出力する出力回路と、
この出力回路にモード切り替え信号を出力することにより、前記出力回路の動作を制御する制御部と、
を具備し、
前記制御部が、前記モード切り替え信号として動き検知モード信号を出力した場合に、前記出力回路は、前記第２の画素の光電変換期間が前記第１の画素の光電変換期間に対してｎ倍になるように、前記第１の画素および前記第２の画素から前記第１の信号電荷および前記第２の信号電荷を読み出して、読み出された前記第１の信号電荷の電荷量に基づく第１の検出信号と、前記第２の信号電荷の電荷量に基づく第２の検出信号と、の差分信号を出力するように動作し、
前記制御部が、前記モード切り替え信号として広ダイナミックレンジモード信号を出力した場合に、前記出力回路は、前記第２の画素の光電変換期間が前記第１の画素の光電変換期間より長くなるように、前記第１の画素および前記第２の画素から前記第１の信号電荷および前記第２の信号電荷を読み出して、読み出された前記第１の信号電荷の電荷量および前記第２の信号電荷の電荷量の和に基づく信号を出力するように動作することを特徴とする固体撮像装置。
【請求項７】
前記第１のフォトダイオードは、前記第２のフォトダイオードより大きいことを特徴とする請求項６に記載の固体撮像装置。
【請求項８】
前記第１のフォトダイオードは、前記第２のフォトダイオードより小さいことを特徴とする請求項６に記載の固体撮像装置。
【請求項９】
前記第１の画素、前記第２の画素、および前記出力回路を含む単位セルを複数有し、
これらの単位セルは、格子状に配列されたことを特徴とする請求項６乃至８のいずれかに記載の固体撮像装置。
【請求項１０】
前記第１の画素、前記第２の画素、および前記出力回路を含む単位セルを複数有し、
これらの単位セルは、複数の第１のマイクロレンズおよび複数の第２のマイクロレンズがそれぞれ市松状に配列されるように、配列されたことを特徴とする請求項６乃至８のいずれかに記載の固体撮像装置。
【請求項１１】
前記第１のフォトダイオードと前記第１のマイクロレンズとの間に、赤色、青色、緑色のいずれか一色の光を透過させるカラーフィルタを有する前記第１の画素、前記第２のフォトダイオードと前記第２のマイクロレンズとの間に、前記第１の画素が有するカラーフィルタと同一色の光を透過させるカラーフィルタを有する前記第２の画素、および前記出力回路を含む単位セルを複数有し、
これらの単位セルは、前記カラーフィルタがベイヤー配列されるように、配列されたことを特徴とする請求項６、７、８または１０のいずれかに記載の固体撮像装置。
【請求項１２】
前記請求項６乃至１１のいずれかに記載の固体撮像装置を有する固体撮像システムであって、
前記固体撮像装置は、前記出力回路から出力される前記信号に基づいて画像を形成して出力する画像形成部をさらに具備し、
前記出力回路は、この回路が前記制御部から前記動き検知モード信号を受け取った場合、前記固体撮像装置が静止した被写体を撮像したときに前記第１の画素の出力と前記第２の画素の出力とが等しくなることによって、ゼロを前記差分信号として出力し、一方前記固体撮像装置が動く被写体を撮像した場合に前記第１の画素の出力と前記第２の画素の出力とが異なることによって、両者の差分値を前記差分信号として出力し、前記画像形成部がこの差分信号に基づく画像を形成して出力することにより、前記被写体の動きを検知し、
前記出力回路は、この回路が前記制御部から前記広ダイナミックレンジモード信号を受け取った場合、前記固体撮像装置が被写体を撮像したときに、前記第１の信号電荷の電荷量および前記第２の信号電荷の電荷量の和に基づく信号を出力し、前記画像形成部がこの和に基づく信号に基づいて画像を形成して出力することを特徴とする固体撮像システム。
【請求項１】
光を受光して光電変換することにより第１の信号電荷を発生させる第１のフォトダイオード、およびこの第１のフォトダイオード上に形成された第１のマイクロレンズを有する第１の画素と、
光を受光して光電変換することにより第２の信号電荷を発生させる第２のフォトダイオード、およびこの第２のフォトダイオード上に形成された、前記第１のマイクロレンズより小さい第２のマイクロレンズを有するとともに、前記第１の画素に対して１／ｎ倍の感度と、前記第１の画素に対してｎ倍の光電変換期間と、を有する第２の画素と、
前記第１の信号電荷の電荷量に基づく第１の検出信号と、前記第２の信号電荷の電荷量に基づく第２の検出信号と、の差分信号を出力する出力回路と、
を具備することを特徴とする固体撮像装置。
【請求項２】
前記第１の画素、前記第２の画素、および前記出力回路を含む単位セルを複数有し、
これらの単位セルは、格子状に配列されたことを特徴とする請求項１に記載の固体撮像装置。
【請求項３】
前記第１の画素、前記第２の画素、および前記出力回路を含む単位セルを複数有し、
これらの単位セルは、複数の第１のマイクロレンズおよび複数の第２のマイクロレンズがそれぞれ市松状に配列されるように、配列されたことを特徴とする請求項１に記載の固体撮像装置。
【請求項４】
前記第１のフォトダイオードと前記第１のマイクロレンズとの間に、赤色、青色、緑色のいずれか一色の光を透過させるカラーフィルタを有する前記第１の画素、前記第２のフォトダイオードと前記第２のマイクロレンズとの間に、前記第１の画素が有するカラーフィルタと同一色の光を透過させるカラーフィルタを有する前記第２の画素、および前記出力回路を含む単位セルを複数有し、
これらの単位セルは、前記カラーフィルタがベイヤー配列されるように、配列されたことを特徴とする請求項１または３に記載の固体撮像装置。
【請求項５】
前記請求項１乃至４のいずれかに記載の固体撮像装置を有する固体撮像システムであって、
前記固体撮像装置は、前記出力回路から出力される前記差分信号に基づいて画像を形成して出力する画像形成部をさらに具備し、
前記出力回路は、前記固体撮像装置が静止した被写体を撮像した場合に前記第１の画素の出力と前記第２の画素の出力とが等しくなることによって、ゼロを前記差分信号として出力し、一方前記固体撮像装置が動く被写体を撮像した場合に前記第１の画素の出力と前記第２の画素の出力とが異なることによって、両者の差分値を前記差分信号として出力し、前記画像形成部がこの差分信号に基づく画像を形成して出力することにより、前記被写体の動きを検知することを特徴とする固体撮像システム。
【請求項６】
光を受光して光電変換することにより第１の信号電荷を発生させる第１のフォトダイオード、およびこの第１のフォトダイオード上に形成された第１のマイクロレンズを有する第１の画素と、
光を受光して光電変換することにより第２の信号電荷を発生させる第２のフォトダイオード、およびこの第２のフォトダイオード上に形成された、前記第１のマイクロレンズより小さい第２のマイクロレンズを有するとともに、前記第１の画素に対して１／ｎ倍の感度を有する第２の画素と、
前記第１の信号電荷の電荷量および前記第２の信号電荷の電荷量に基づく信号を出力する出力回路と、
この出力回路にモード切り替え信号を出力することにより、前記出力回路の動作を制御する制御部と、
を具備し、
前記制御部が、前記モード切り替え信号として動き検知モード信号を出力した場合に、前記出力回路は、前記第２の画素の光電変換期間が前記第１の画素の光電変換期間に対してｎ倍になるように、前記第１の画素および前記第２の画素から前記第１の信号電荷および前記第２の信号電荷を読み出して、読み出された前記第１の信号電荷の電荷量に基づく第１の検出信号と、前記第２の信号電荷の電荷量に基づく第２の検出信号と、の差分信号を出力するように動作し、
前記制御部が、前記モード切り替え信号として広ダイナミックレンジモード信号を出力した場合に、前記出力回路は、前記第２の画素の光電変換期間が前記第１の画素の光電変換期間より長くなるように、前記第１の画素および前記第２の画素から前記第１の信号電荷および前記第２の信号電荷を読み出して、読み出された前記第１の信号電荷の電荷量および前記第２の信号電荷の電荷量の和に基づく信号を出力するように動作することを特徴とする固体撮像装置。
【請求項７】
前記第１のフォトダイオードは、前記第２のフォトダイオードより大きいことを特徴とする請求項６に記載の固体撮像装置。
【請求項８】
前記第１のフォトダイオードは、前記第２のフォトダイオードより小さいことを特徴とする請求項６に記載の固体撮像装置。
【請求項９】
前記第１の画素、前記第２の画素、および前記出力回路を含む単位セルを複数有し、
これらの単位セルは、格子状に配列されたことを特徴とする請求項６乃至８のいずれかに記載の固体撮像装置。
【請求項１０】
前記第１の画素、前記第２の画素、および前記出力回路を含む単位セルを複数有し、
これらの単位セルは、複数の第１のマイクロレンズおよび複数の第２のマイクロレンズがそれぞれ市松状に配列されるように、配列されたことを特徴とする請求項６乃至８のいずれかに記載の固体撮像装置。
【請求項１１】
前記第１のフォトダイオードと前記第１のマイクロレンズとの間に、赤色、青色、緑色のいずれか一色の光を透過させるカラーフィルタを有する前記第１の画素、前記第２のフォトダイオードと前記第２のマイクロレンズとの間に、前記第１の画素が有するカラーフィルタと同一色の光を透過させるカラーフィルタを有する前記第２の画素、および前記出力回路を含む単位セルを複数有し、
これらの単位セルは、前記カラーフィルタがベイヤー配列されるように、配列されたことを特徴とする請求項６、７、８または１０のいずれかに記載の固体撮像装置。
【請求項１２】
前記請求項６乃至１１のいずれかに記載の固体撮像装置を有する固体撮像システムであって、
前記固体撮像装置は、前記出力回路から出力される前記信号に基づいて画像を形成して出力する画像形成部をさらに具備し、
前記出力回路は、この回路が前記制御部から前記動き検知モード信号を受け取った場合、前記固体撮像装置が静止した被写体を撮像したときに前記第１の画素の出力と前記第２の画素の出力とが等しくなることによって、ゼロを前記差分信号として出力し、一方前記固体撮像装置が動く被写体を撮像した場合に前記第１の画素の出力と前記第２の画素の出力とが異なることによって、両者の差分値を前記差分信号として出力し、前記画像形成部がこの差分信号に基づく画像を形成して出力することにより、前記被写体の動きを検知し、
前記出力回路は、この回路が前記制御部から前記広ダイナミックレンジモード信号を受け取った場合、前記固体撮像装置が被写体を撮像したときに、前記第１の信号電荷の電荷量および前記第２の信号電荷の電荷量の和に基づく信号を出力し、前記画像形成部がこの和に基づく信号に基づいて画像を形成して出力することを特徴とする固体撮像システム。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【公開番号】特開２０１３−７０２４５（Ｐ２０１３−７０２４５Ａ）
【公開日】平成２５年４月１８日（２０１３．４．１８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２０７４４８（Ｐ２０１１−２０７４４８）
【出願日】平成２３年９月２２日（２０１１．９．２２）
【出願人】（０００００３０７８）株式会社東芝 (54,554)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年４月１８日（２０１３．４．１８）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年９月２２日（２０１１．９．２２）
【出願人】（０００００３０７８）株式会社東芝 (54,554)
【Ｆターム（参考）】
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