JP2006197382A - 固体撮像装置、その制御方法及びカメラ - Google Patents

Abstract

【課題】 光電変換部からあふれ出る電荷のうち浮遊拡散部に流入させる割合を高精度で制御することにより、ダイナミックレンジを拡大すると共に画質を向上させることを課題とする。
【解決手段】 光電変換により電荷を生成して蓄積する光電変換部（ＰＤ）と、電荷を蓄積するための浮遊拡散部（ＦＤ）と、光電変換部により生成された電荷を浮遊拡散部に転送するための転送ゲート（Ｔｘ−ＭＯＳ）と、光電変換部が電荷を生成して蓄積している期間において、光電変換部からあふれ出る電荷の一部が浮遊拡散部に流入するように転送ゲートの電位を制御する転送ゲート制御部と、光電変換部に蓄積された電荷及び浮遊拡散部にあふれ出た電荷に応じて画素信号を生成する画素信号生成部とを有する固体撮像装置が提供される。
【選択図】 図１

Description

本発明は、固体撮像装置、その制御方法及びカメラに関する。

下記の特許文献１には、光電荷が蓄積されている間にフォトダイオードからあふれ出た電荷は転送ゲート（ＴＧ）を介して浮遊拡散部（フローティングディフュージョン：ＦＤ）に流入する固体撮像装置が記載されている。浮遊拡散部に流入した電荷の一部を捨てることにより、ダイナミックレンジを拡大している。そのために、フォトダイオードの蓄積時間に対し、浮遊拡散部の蓄積時間が短くなっている。

しかし、特許文献１によれば、ダイナミックレンジを拡大しようとすると、上記構成では、浮遊拡散部の蓄積時間を短くすれば良いとされている。しかしながら、フォトダイオードの蓄積時間の開始から浮遊拡散部の蓄積時間の開始までの間にフォトダイオードから浮遊拡散部に流入した電荷の情報はすべて失われてしまう。したがって、実際に人間が見た画像とは異なる画像が撮像されてしまうことになる。

また、下記の特許文献２には、半導体基板の表面に複数の受光部がアレー状に配列され各受光部の信号を受光部毎に読み出すＭＯＳ型固体撮像装置において、前記各受光部に、入射光量に応じた信号を検出する第１信号電荷検出部と、該第１信号電荷検出部による検出信号が飽和したとき該第１信号電荷検出部の過剰電荷の一部を捕獲し捕獲電荷量に応じた信号を検出する第２信号電荷検出部とを設けたことを特徴とするＭＯＳ型固体撮像装置が記載されている。

特許文献２は、その図２に示すように、第１信号電荷検出部（３１）で発生した電子が飽和したときにその一部を検出する第２信号電荷検出部（３８）を設けたことを特徴としている。また、一部の過剰電荷を捕獲し、残りを縦型オーバーフロードレインに捨てる構造になっている。また、第１及び第２の信号検出部を独立して持っている。

しかし、縦型オーバーフロードレインに一部を捨て、残りを第２信号電荷検出部（３８）に集める為にはバリア部（３３）と縦型オーバーフロードレインのポテンシャルの両方をきわめて高い精度で製造する技術が必要となる。この精度が十分でないと縦型オーバーフロードレインに捨てる量と検出部に流入する量にばらつきが生じてしまいサンプル毎にその流入割合が変わることとなり著しく量産性を欠くという欠点がある。

また、特許文献２では、電荷を捨てる側が縦型オーバーフロードレイン、捕獲する側が横型オーバーフロードレインの構造の為それぞれが異なる構造のバリア障壁を越えることが必要となる。したがって、縦型オーバーフロードレインと横型オーバーフロードレインに流れ出る割合が温度依存性を持つという欠点がある。

米国特許第６３０７１９５号明細書 特開２００４−３３５８０３号公報

本発明の目的は、光電変換部（フォトダイオード）からあふれ出る電荷のうち浮遊拡散部に流入させる割合を高精度で制御することにより、ダイナミックレンジを拡大すると共に画質を向上させることである。

本発明の固体撮像装置は、光電変換により電荷を生成して蓄積する光電変換部と、電荷を蓄積するための浮遊拡散部と、前記光電変換部により生成された電荷を前記浮遊拡散部に転送するための転送ゲートと、前記光電変換部が電荷を生成して蓄積している期間において、前記光電変換部からあふれ出る電荷の一部が前記浮遊拡散部に流入するように前記転送ゲートの電位を制御する転送ゲート制御部と、前記光電変換部に蓄積された電荷及び前記浮遊拡散部にあふれ出た電荷に応じて画素信号を生成する画素信号生成部とを有することを特徴とする。

また、本発明の固体撮像装置の制御方法は、光電変換により電荷を生成して蓄積する光電変換部と、電荷を蓄積するための浮遊拡散部と、前記光電変換部により生成された電荷を前記浮遊拡散部に転送するための転送ゲートとを有する固体撮像装置の制御方法であって、前記光電変換部が電荷を生成して蓄積している期間において、前記光電変換部からあふれ出る電荷の一部が前記浮遊拡散部に流入するように前記転送ゲートの電位を制御する転送ゲート制御ステップと、前記光電変換部に蓄積された電荷及び前記浮遊拡散部にあふれ出た電荷に応じて画素信号を生成する画素信号生成ステップとを有することを特徴とする。

また、本発明のカメラは、上記の固体撮像装置と、光学像を前記固体撮像装置に結像させるためのレンズと、前記レンズを通る光量を可変するための絞りとを有することを特徴とする。

光電変換部からあふれ出る電荷の一部が浮遊拡散部に流入するように転送ゲートの電位を制御するので、光電変換部からあふれ出る電荷のうち浮遊拡散部に流入させる割合を高精度で制御することができる。これにより、ダイナミックレンジを拡大すると共に画質を向上させることができる。

（第１の実施形態）
図１は、本発明の第１の実施形態による固体撮像装置の画素部の構成例を示すレイアウト図であり、図２は図１中のＯ−Ａ、Ｏ−Ｂ、Ｏ−Ｃ線に沿った断面の電荷蓄積期間中のポテンシャル図である。以下、ｎチャネルＭＯＳ電界効果トランジスタを単にＭＯＳトランジスタという。

固体撮像装置は、複数の画素が２次元配列される。１つの画素は、転送ＭＯＳトランジスタＴｘ−ＭＯＳ、リセットＭＯＳトランジスタＲＥＳ−ＭＯＳ、ソースフォロアＭＯＳトランジスタＳＦ−ＭＯＳ及びセレクトＭＯＳトランジスタＳＥＬ−ＭＯＳを有する。フォトダイオードＰＤ及び浮遊拡散部（フローティングディフュージョン）ＦＤは、それぞれ転送ＭＯＳトランジスタＴｘ−ＭＯＳのソース及びドレインに対応する。ドレイン部Ｂは、固定電源電位ＶＤＤに接続される。

フォトダイオード（光電変換部）ＰＤは、光電変換により電荷を生成して蓄積する。浮遊拡散部ＦＤは、電荷を蓄積するための拡散領域である。転送ＭＯＳトランジスタＴｘ−ＭＯＳのゲートは、転送ゲートであり、フォトダイオードＰＤにより生成された電荷を浮遊拡散部ＦＤに転送するためのゲートである。その転送ゲートを閉じることにより、フォトダイオードＰＤは光電変換により電荷を生成して蓄積することができる。その蓄積時間が終了すると、転送ゲートを開けることにより、フォトダイオードＰＤに蓄積された電荷を浮遊拡散部ＦＤに転送する（読み出す）ことができる。

Ｏ−Ａ線で示す領域ａは、フォトダイオードＰＤ及び浮遊拡散部ＦＤ間の転送ゲート下のポテンシャルの高さを示す。ポイントＯは、フォトダイオードＰＤのポテンシャルを示す。ポイントＡは、そのフォトダイオードＰＤと同じ画素の浮遊拡散部ＦＤの障壁（ポテンシャル）を示す。

Ｏ−Ｂ線で示す領域ｂは、フォトダイオードＰＤとドレイン部（第１の素子）Ｂとの間の素子分離障壁の高さを示す。ポイントＢは、ドレイン部Ｂを示す。

Ｏ−Ｃ線で示す領域ｃは、ある画素のフォトダイオードＰＤとそれに隣接する他の画素との間の素子分離障壁の高さを示す。ポイントＣは、隣の画素の浮遊拡散部ＦＤのポテンシャルを示す。

領域ａ及びｂを除き、フォトダイオードＰＤを囲む素子分離障壁の高さは領域ｃと同じく高い。領域ｂの障壁は、領域ｃの障壁より低くする。フォトダイオードＰＤは、ｎ型領域である。領域ｂ及びｃは、ｐ⁺型領域であり、その不純物濃度を調整することにより、固定障壁の高さを制御する。これに対し、トランジスタＴｘ−ＭＯＳの転送ゲートの電位を制御することにより、領域ａの障壁の高さは可変である。フォトダイオードＰＤが電荷を生成して蓄積している期間において、領域ａの障壁は、領域ｂの障壁と同じ高さにする。フォトダイオードＰＤを囲む素子分離障壁のなかで、領域ａ及びｂの障壁の高さが最も低くなるように上記の転送ゲートの電位を制御する。

フォトダイオードＰＤは、蓄積できる電荷の量が決まっている。したがって、フォトダイオードＰＤに強い光が照射されると、フォトダイオードＰＤから電荷があふれ出る。フォトダイオードＰＤからあふれ出る電荷の一部が浮遊拡散部ＦＤに流入し、残りの電荷はドレイン部Ｂに排出される。

フォトダイオードＰＤ及び浮遊拡散部ＦＤは、横方向の（横型）オーバーフロードレイン構造を有することにより、フォトダイオードＰＤからあふれ出る電荷の一部が浮遊拡散部ＦＤに流入する。また、フォトダイオードＰＤ及びドレイン部Ｂも、横方向のオーバーフロードレイン構造を有することにより、フォトダイオードＰＤからあふれ出る電荷の一部がドレイン部Ｂに排出される。

本実施形態では、あふれ出た電荷の一部だけをある一定の割合で浮遊拡散部ＦＤに採取することができる。浮遊拡散部ＦＤからあふれた電荷は、最も低い領域ａを通りポイントＡの浮遊拡散部ＦＤに流入する。ａの領域の電位をｂの領域の電位と同じになるように制御することにより、領域ａとｂに同一の割合で、フォトダイオードＰＤからあふれた電荷を振り分けることができる。また、Ｂの領域は、例えば固定電位ＶＤＤであることが望ましい。なぜならば、ドレイン部Ｂに流入した電荷を速やかに処理できるからである。

Ｃの領域は、隣接した画素の浮遊拡散部ＦＤである。この部分のポテンシャルバリア（障壁）を形成するｃの領域はｂの領域に比べ、高いポテンシャルバリアを必要とする。そのようにすることにより隣接画素領域への電荷のもれこみを抑制することができるからである。

ａの領域とｂの領域に流出する電荷の振り分け比率は、転送ＭＯＳトランジスタＴｘ−ＭＯＳのゲート幅Ｗと領域ｂの幅Ｗｂとの比率により制御される。また、この所望の電荷振り分け比率になるように、転送ＭＯＳトランジスタＴｘ−ＭＯＳのゲート電位を制御することにより、安定した比率で電荷の振り分けができ、ダイナミックレンジの拡大を図ることができる。例えば、フォトダイオードＰＤからあふれ出た電荷のうち、浮遊拡散部ＦＤに１０％を流入させ、ドレイン部Ｂに９０％を流入させる。

また、上記の特許文献２で問題になったような捨てる電荷と信号電荷との比率に関しても、本実施形態は、同じ横方向のオーバーフロードレイン同士なので温度依存性が小さく、かつその比率の変化が発生しても電位障壁の高さを制御することにより、比率を一定値に保つことができる。

図３は本実施形態による固体撮像装置の全体構成例を示すレイアウト図であり、図４は図３の固体撮像装置の等価回路図である。浮遊拡散部ＦＤは、転送ＭＯＳトランジスタＴｘ−ＭＯＳのドレインと、リセットＭＯＳトランジスタＲＥＳ−ＭＯＳのソースと、ソースフォロアＭＯＳトランジスタのゲートに接続されている。

図５は、図４の回路の動作例を示すタイミングチャートである。電位φｒｅｓはリセットＭＯＳトランジスタＲＥＳ−ＭＯＳのゲート電位、電位φｔｘは転送ＭＯＳトランジスタＴｘ−ＭＯＳのゲート電位、電位φｓｅｌはセレクトＭＯＳトランジスタＳＥＬ−ＭＯＳのゲート電位、電位φＣｔｓＦＤはＭＯＳトランジスタ４１１のゲート電位、電位φＣｔｎはＭＯＳトランジスタ４１３のゲート電位、電位φＣｔｓＰＤはＭＯＳトランジスタ４１２のゲート電位を示す。

タイミングＴ１より前では、電位φｒｅｓは正電位であり、電位φｔｘ，φｓｅｌ，φＣｔｓＦＤ，φＣｔｎ，φＣｔｓＰＤは０Ｖである。リセットＭＯＳトランジスタＲＥＳ−ＭＯＳがオンし、浮遊拡散部ＦＤに電源電位ＶＤＤが供給される。

次に、タイミングＴ１では、電位φｔｘとして正パルスを印加する。トランジスタＴｘ−ＭＯＳはオンし、浮遊拡散部ＦＤ及びフォトダイオードＰＤに電源電位ＶＤＤが印加されてリセットされる。リセット後、電位φｒｅｓを０Ｖに下げ、リセットＭＯＳトランジスタＲＥＳ−ＭＯＳをオフにする。そして、電位φｔｘを例えば−１．３Ｖにし、領域ａの障壁を領域ｂの障壁よりも高くし、フォトダイオードＰＤ及び浮遊拡散部ＦＤをフローティング状態にする。ただし、このとき外部の機械的なシャッタはまだ開いておらず、フォトダイオードＰＤにおいて光電荷の蓄積は始まっていない。

次に、タイミングＴ２では、機械的なシャッタ５３（図６）が開き、フォトダイオードＰＤに光が照射され、フォトダイオードＰＤは光電荷の生成及び蓄積を開始する。この時、電位φｔｘは、例えば−０．７Ｖに上げ、領域ａの障壁を領域ｂの障壁と同じ高さにする。

次に、タイミングＴ３では、浮遊拡散部ＦＤの電位の点線は強い光が照射されている場合の電位を示す。タイミングＴ３で、フォトダイオードＰＤが飽和し、その一部の負電荷がフォトダイオードＰＤから浮遊拡散部ＦＤに流入する。それにより、浮遊拡散部ＦＤの電位は低下する。フォトダイオードＰＤからあふれ出た電荷は、一部が浮遊拡散部ＦＤに流入し、残りがドレイン部Ｂの電源電位ＶＤＤに排出される。なお、浮遊拡散部ＦＤの電位の実線は、弱い光が照射され、フォトダイオードＰＤから浮遊拡散部ＦＤに電荷があふれ出なかった場合を示す。

次に、タイミングＴ４では、シャッタ５３が閉じ、フォトダイオードＰＤは遮光され、フォトダイオードＰＤの光電荷の生成が終了する。そして、電位φｔｘを例えば−１．３Ｖに下げ、領域ａの障壁を領域ｂの障壁よりも高くし、フォトダイオードＰＤ及び浮遊拡散部ＦＤをフローティング状態にする。この時点で、フォトダイオードＰＤの光電荷の浮遊拡散部ＦＤへの流入は止まるので、浮遊拡散部ＦＤの電位はこの状態に保持される。

次に、タイミングＴ５では、電位φｓｅｌを０Ｖから正電位にする。セレクトＭＯＳトランジスタＳＥＬ−ＭＯＳはオンし、信号出力線４０１をアクティブ状態にする。ソースフォロアＭＯＳトランジスタＳＦ−ＭＯＳは、ソースフォロアアンプを構成し、浮遊拡散部ＦＤの電位に応じて、信号出力線４０１に出力電圧を出力する。

次に、タイミングＴ６では、電位φＣｔｓＦＤとして正パルスが印加される。トランジスタ４１１がオンし、容量ＣｔｓＦＤに浮遊拡散部ＦＤの電位に応じた信号出力線４０１の電位が蓄積される。フォトダイオードＰＤが飽和していない画素には、浮遊拡散部ＦＤに電荷があふれ出ないので、浮遊拡散部ＦＤのリセット電圧ＶＤＤに応じた出力が容量ＣｔｓＦＤに蓄積される。また、フォトダイオードＰＤに強い光が照射され、フォトダイオードＰＤが飽和した場合は、浮遊拡散部ＦＤのリセット電圧ＶＤＤより低い出力が容量ＣｔｓＦＤに蓄積される。

次に、タイミングＴ７では、電位φｒｅｓとして正パルスを印加する。リセットＭＯＳトランジスタＲＥＳ−ＭＯＳはオンし、浮遊拡散部ＦＤは再度電源電位ＶＤＤにリセットされる。

次に、タイミングＴ８では、電位φＣｔｎとして正パルスを印加する。ＭＯＳトランジスタ４１３はオンし、浮遊拡散部ＦＤがリセットされた状態での信号出力線４０１のオフセットノイズ電圧が容量Ｃｔｎに蓄積される。

次に、タイミングＴ９では、電位φｔｘとして正パルスを印加する。転送ＭＯＳトランジスタＴｘ−ＭＯＳはオンし、フォトダイオードＰＤに蓄積された電荷が浮遊拡散部ＦＤに読み出される。

次に、タイミングＴ１０では、電位φＣｔｓＰＤとして正パルスを印加する。ＭＯＳトランジスタ４１２はオンし、フォトダイオードＰＤから浮遊拡散部ＦＤに読み出された電荷に応じた信号出力線４０１の電圧が容量ＣｔｓＰＤに蓄積される。

次に、タイミングＴ１１では、電位φｓｅｌを０Ｖにする。セレクトＭＯＳトランジスタＳＥＬ−ＭＯＳはオフし、信号出力線４０１は非アクティブ状態になる。

次に、タイミングＴ１２では、電位φｒｅｓを正電位にする。リセットＭＯＳトランジスタＲＥＳ−ＭＯＳはオンし、浮遊拡散部ＦＤの電位を電源電位ＶＤＤに固定する。

以上の処理により、容量Ｃｔｎにはオフセットノイズに対応する電圧が蓄積され、容量ＣｔｓＦＤにはフォトダイオードＰＤから浮遊拡散部ＦＤにあふれ出た電荷に対応する電圧が蓄積され、容量ＣｔｓＰＤにはフォトダイオードＰＤの蓄積電荷に対応する電圧が蓄積される。

差動アンプ４２１は、容量ＣｔｓＦＤの信号電圧から容量Ｃｔｎのノイズ電圧を引いた電圧を出力する。差動アンプ４２２は、容量ＣｔｓＰＤの信号電圧から容量Ｃｔｎのノイズ電圧を引いた電圧を出力する。アンプ４２３は、差動アンプ４２１の出力信号を増幅する。アンプ４２４は、差動アンプ４２２の出力信号を増幅する。

アンプ４２３及び４２４の増幅度（ゲイン）は、フォトダイオードＰＤからあふれ出た電荷のうち、浮遊拡散部ＦＤに流入する量とドレイン部Ｂに流入する量の比率により決まる。例えば、フォトダイオードＰＤからあふれ出た電荷のうち、浮遊拡散部ＦＤに１０％流入し、ドレイン部Ｂに９０％流入する場合を説明する。その場合は、アンプ４２３は入力信号を１０倍して出力し、アンプ４２４は入力信号を１倍して出力する。すなわち、浮遊拡散部ＦＤにあふれ出た電荷量の１０倍が、フォトダイオードＰＤからあふれ出た電荷量であることを意味する。

加算器４２５は、アンプ４２３及び４２４の出力信号を加算して画素信号を出力する。画素信号は、フォトダイオードＰＤの蓄積電荷及び浮遊拡散部ＦＤにあふれ出た電荷を基に生成されるので、フォトダイオードＰＤの蓄積電荷のみを用いる場合に比べ、画素信号のダイナミックレンジを拡大することができる。

アンプ４２６は、ＩＳＯ感度に応じて、加算器４２５の出力信号を増幅して出力する。ＩＳＯ感度値が小さいときには増幅度が小さく、ＩＳＯ感度値が大きいときには増幅度が大きい。

また、図２において、ＩＳＯ感度が１００のときには領域ａの障壁を領域ｂの障壁と同じ高さに制御し、ＩＳＯ感度が２００以上のときには領域ａの障壁を領域ｂの障壁より高くなるように制御してもよい。また、図５において、ＩＳＯ感度が１００のときには、電位φｔｘは、タイミングＴ２からＴ４までの期間の高さが、タイミングＴ２の前及びタイミングＴ４の後の高さよりも高くなるように制御する。それに対し、ＩＳＯ感度が２００以上のときには、電位φｔｘは、タイミングＴ２からＴ４までの期間の高さが、タイミングＴ２の前及びタイミングＴ４の後の高さと同じになるように制御する。

換言すると、ＩＳＯ感度が１００のときには、領域ａの障壁は、タイミングＴ２からＴ４までの期間の高さが、タイミングＴ２の前及びタイミングＴ４の後の高さよりも低くなるように制御する。それに対し、ＩＳＯ感度が２００以上のときには、領域ａの障壁は、タイミングＴ２からＴ４までの期間の高さが、タイミングＴ２の前及びタイミングＴ４の後の高さと同じになるように制御する。

以上のように、ＩＳＯ感度に対応する画素信号の増幅度に応じて、フォトダイオードＰＤが電荷を生成及び蓄積している期間Ｔ２〜Ｔ４における転送ゲートの電位φｔｘが制御される。

（第２の実施形態）
図６は、本発明の第２の実施形態によるスチルビデオカメラの構成例を示すブロック図である。図６に基づいて、第１の実施形態の固体撮像装置をスチルビデオカメラに適用した場合の一例について詳述する。固体撮像素子５４及び撮像信号処理回路５５は上記の固体撮像装置に対応する。

図６において、５１はレンズのプロテクトとメインスイッチを兼ねるバリア、５２は被写体の光学像を固体撮像素子５４に結像させるレンズ、５３はレンズ５２を通った光量を可変するための絞り及びシャッタ、５４はレンズ５２で結像された被写体を画像信号として取り込むための固体撮像素子、５５は固体撮像素子５４より出力される撮像信号（画像信号）をアナログ信号処理する撮像信号処理回路、５６は撮像信号処理回路５５より出力される画像信号のアナログ−ディジタル変換を行うＡ／Ｄ変換部、５７はＡ／Ｄ変換部５６より出力された画像データに各種の補正を行ったりデータを圧縮する信号処理部、５８は固体撮像素子５４、撮像信号処理回路５５、Ａ／Ｄ変換部５６、信号処理部５７に、各種タイミング信号を出力するタイミング発生部、５９は各種演算とスチルビデオカメラ全体を制御する全体制御・演算部、６０は画像データを一時的に記憶する為のメモリ部、６１は記録媒体６２に記録又は読み出しを行うためのインタフェース部、６２は画像データの記録又は読み出しを行う為の半導体メモリ等の着脱可能な記録媒体、６３は外部コンピュータ等と通信する為のインタフェース部である。

次に、前述の構成における撮影時のスチルビデオカメラの動作について説明する。バリア５１がオープンされるとメイン電源がオンされ、次にコントロール系の電源がオンし、更にＡ／Ｄ変換部５６などの撮像系回路の電源がオンされる。それから、露光量を制御する為に、全体制御・演算部５９は絞り（シャッタ）５３を開放にし、固体撮像素子５４から出力された信号は撮像信号処理回路５５を介してＡ／Ｄ変換部５６で変換された後、信号処理部５７に入力される。そのデータを基に露出の演算を全体制御・演算部５９で行う。この測光を行った結果により明るさを判断し、その結果に応じて全体制御・演算部５９は絞り５３を制御する。

次に、固体撮像素子５４から出力された信号を基に、高周波成分を取り出し被写体までの距離の演算を全体制御・演算部５９で行う。その後、レンズを駆動して合焦か否かを判断し、合焦していないと判断した時は、再びレンズを駆動し測距を行う。そして、合焦が確認された後に本露光が始まる。露光が終了すると、固体撮像素子５４から出力された画像信号は撮像信号処理回路５５を介してＡ／Ｄ変換部５６でＡ／Ｄ変換され、信号処理部５７を通り全体制御・演算部５９によりメモリ部６０に書き込まれる。その後、メモリ部６０に蓄積されたデータは、全体制御・演算部５９の制御により記録媒体制御Ｉ／Ｆ部６１を通り半導体メモリ等の着脱可能な記録媒体６２に記録される。また、外部Ｉ／Ｆ部６３を通り直接コンピュータ等に入力して画像の加工を行ってもよい。

タイミング発生部５８は、図５の電位φｒｅｓ、φｔｘ、φｓｅｌ、φＣｔｓＦＤ、φＣｔｎ、φＣｔｓＰＤ等の信号を制御する。温度計６４は、温度を検出し、温度に応じた電圧を全体制御・演算部５９に出力する。全体制御・演算部５９及びタイミング発生部５８は、フォトダイオードＰＤが電荷を生成及び蓄積している期間Ｔ２〜Ｔ４において、温度に応じて転送ゲートの電位φｔｘを制御する。すなわち、期間Ｔ２〜Ｔ４では、領域ａの障壁が領域ｂの障壁の高さと同じ高さになるように制御するが、障壁の高さは温度により変化するので、全体制御・演算部５９及びタイミング発生部５８は、温度に応じて転送ゲートの電位φｔｘを制御することにより、領域ａの障壁が領域ｂの障壁の高さと同じ高さになるように制御することができる。

（第３の実施形態）
図７は、本発明の第３の実施形態によるビデオカメラの構成例を示すブロック図である。図７に基づいて、第１の実施形態の固体撮像装置をビデオカメラに適用した場合の一実施例について詳述する。

１は撮影レンズで焦点調節を行うためのフォーカスレンズ１Ａ、ズーム動作を行うズームレンズ１Ｂ、結像用のレンズ１Ｃを備えている。２は絞り及びシャッタ、３は撮像面に結像された被写体像を光電変換して電気的な撮像信号に変換する固体撮像素子、４は固体撮像素子３より出力された撮像信号をサンプルホールドし、さらに、レベルをアンプするサンプルホールド回路（Ｓ／Ｈ回路）であり、映像信号を出力する。

５はサンプルホールド回路４から出力された映像信号にガンマ補正、色分離、ブランキング処理等の所定の処理を施すプロセス回路で、輝度信号Ｙおよびクロマ信号Ｃを出力する。プロセス回路５から出力されたクロマ信号Ｃは、色信号補正回路２１で、ホワイトバランス及び色バランスの補正がなされ、色差信号Ｒ−Ｙ，Ｂ−Ｙとして出力される。

また、プロセス回路５から出力された輝度信号Ｙと、色信号補正回路２１から出力された色差信号Ｒ−Ｙ，Ｂ−Ｙは、エンコーダ回路（ＥＮＣ回路）２４で変調され、標準テレビジョン信号として出力される。そして、図示しないビデオレコーダ、あるいはモニタ電子ビューファインダ（ＥＶＦ）等の電子ビューファインダへと供給される。

次いで、６はアイリス制御回路で有り、サンプルホールド回路４から供給される映像信号に基づいてアイリス駆動回路７を制御し、映像信号のレベルが所定レベルの一定値となるように、絞り２の開口量を制御すべくｉｇメータ８を自動制御するものである。

１３及び１４は、サンプルホールド回路４から出力された映像信号中より合焦検出を行うために必要な高周波成分を抽出する異なった帯域制限のバンドパスフィルタ（ＢＰＦ）である。第１のバンドパスフィルタ１３（ＢＰＦ１）、及び第２のバンドパスフィルタ１４（ＢＰＦ２）から出力された信号は、ゲート回路１５及びフォーカスゲート枠信号で各々でゲートされ、ピーク検出回路１６でピーク値が検出されてホールドされると共に、論理制御回路１７に入力される。この信号を焦点電圧と呼び、この焦点電圧によってフォーカスを合わせている。

また、１８はフォーカスレンズ１Ａの移動位置を検出するフォーカスエンコーダ、１９はズームレンズ１Ｂの焦点距離を検出するズームエンコーダ、２０は絞り２の開口量を検出するアイリスエンコーダである。これらのエンコーダの検出値は、システムコントロールを行う論理制御回路１７へと供給される。

論理制御回路１７は、設定された合焦検出領域内に相当する映像信号に基づいて、被写体に対する合焦検出を行い焦点調節を行う。即ち、各々のバンドパスフィルタ１３、１４より供給された高周波成分のピーク値情報を取り込み、高周波成分のピーク値が最大となる位置へとフォーカスレンズ１Ａを駆動すべくフォーカス駆動回路９にフォーカスモーター１０の回転方向、回転速度、回転／停止等の制御信号を供給し、これを制御する。

ズーム駆動回路１１は、ズームが指示されると、ズームモーター１２を回転させる。ズームモーター１２が回転すると、ズームレンズ１Ｂが移動し、ズームが行われる。

以上のように、第１〜第３の実施形態によれば、転送ゲート制御部（図６のタイミング発生部５８）は、フォトダイオードＰＤが電荷を生成して蓄積している期間Ｔ２〜Ｔ４において、フォトダイオードＰＤからあふれ出る電荷の一部が浮遊拡散部ＦＤに流入するように転送ゲートの電位φｔｘを制御する。また、図４において、図４の画素信号生成部は、フォトダイオードＰＤに蓄積された電荷及び浮遊拡散部ＦＤにあふれ出た電荷に応じて画素信号を生成する。

これにより、フォトダイオードＰＤからあふれ出る電荷のうち浮遊拡散部ＦＤに流入させる割合を高精度で制御することができ、ダイナミックレンジを拡大すると共に画質を向上させることができる。また、フォトダイオードＰＤから浮遊拡散部ＦＤにあふれ出る構造とフォトダイオードＰＤからドレイン部Ｂにあふれ出る構造は、共に横方向のオーバーフロードレイン構造なので温度依存性を小さくすることができ、かつ転送ゲートの電位障壁の高さを制御することにより、両者にあふれ出る電荷量の比率を容易に一定値に保つことができる。

なお、上記実施形態は、何れも本発明を実施するにあたっての具体化の例を示したものに過ぎず、これらによって本発明の技術的範囲が限定的に解釈されてはならないものである。すなわち、本発明はその技術思想、又はその主要な特徴から逸脱することなく、様々な形で実施することができる。

本発明の第１の実施形態による固体撮像装置の画素部の構成例を示すレイアウト図である。 図１中のＯ−Ａ、Ｏ−Ｂ、Ｏ−Ｃ線に沿った断面の電荷蓄積期間中のポテンシャル図である。 本実施形態による固体撮像装置の全体構成例を示すレイアウト図である。 図３の固体撮像装置の等価回路図である。 図４の回路の動作例を示すタイミングチャートである。 本発明の第２の実施形態によるスチルビデオカメラの構成例を示すブロック図である。 本発明の第３の実施形態によるビデオカメラの構成例を示すブロック図である。

符号の説明

５１ バリア
５２ レンズ
５３ 絞り（シャッタ）
５４ 固体撮像素子
５５ 撮像信号処理回路
５６ Ａ／Ｄ変換部
５７ 信号処理部
５８ タイミング発生部
５９ 全体制御・演算部
６０ メモリ部
６１ 記録媒体制御インタフェース部
６２ 記録媒体
６３ 外部インタフェース部
６４ 温度計
４０１ 信号出力線
４１１〜４１３ ＭＯＳトランジスタ
４２１，４２２ 差動アンプ
４２３，４２４，４２６ アンプ
４２５ 加算器

Claims (10)

1. 光電変換により電荷を生成して蓄積する光電変換部と、
   電荷を蓄積するための浮遊拡散部と、
   前記光電変換部により生成された電荷を前記浮遊拡散部に転送するための転送ゲートと、
   前記光電変換部が電荷を生成して蓄積している期間において、前記光電変換部からあふれ出る電荷の一部が前記浮遊拡散部に流入するように前記転送ゲートの電位を制御する転送ゲート制御部と、
   前記光電変換部に蓄積された電荷及び前記浮遊拡散部にあふれ出た電荷に応じて画素信号を生成する画素信号生成部と
   を有することを特徴とする固体撮像装置。
2. 前記転送ゲート制御部は、ＩＳＯ感度に対応する前記画素信号の増幅度に応じて、前記光電変換部が電荷を生成及び蓄積している期間における前記転送ゲートの電位を制御することを特徴とする請求項１記載の固体撮像装置。
3. 前記転送ゲート制御部は、前記光電変換部が電荷を生成及び蓄積している期間において、前記光電変換部を囲む素子分離障壁の高さのなかで、前記光電変換部及び前記浮遊拡散部間の前記転送ゲート下の障壁の高さが最も低くなるように前記転送ゲートの電位を制御することを特徴とする請求項１又は２記載の固体撮像装置。
4. さらに、前記光電変換部に隣接する第１の素子を有し、
   前記転送ゲート制御部は、前記光電変換部が電荷を生成及び蓄積している期間において、前記転送ゲート下の障壁が前記光電変換部と前記第１の素子との間の素子分離障壁の高さと同じ高さになるように前記転送ゲートの電位を制御することを特徴とする請求項３記載の固体撮像装置。
5. 前記第１の素子は固定電位であり、前記第１の素子には、前記光電変換部が電荷を生成及び蓄積している期間において、前記光電変換部からあふれ出る電荷の一部が排出されることを特徴とする請求項４記載の固体撮像装置。
6. 前記光電変換部及び前記浮遊拡散部の組みは１画素に対応し、
   ある画素の前記光電変換部とそれに隣接する他の画素との間の素子分離障壁の高さは、前記光電変換部と前記第１の素子との間の素子分離障壁の高さより高いことを特徴とする請求項４又は５記載の固体撮像装置。
7. 前記光電変換部及び前記浮遊拡散部は、横方向のオーバーフロードレイン構造を有することにより、前記光電変換部からあふれ出る電荷の一部が前記浮遊拡散部に流入し、
   前記光電変換部及び前記第１の素子は、横方向のオーバーフロードレイン構造を有することにより、前記光電変換部からあふれ出る電荷の一部が前記第１の素子に排出されることを特徴とする請求項４〜６のいずれか１項に記載の固体撮像装置。
8. 前記転送ゲート制御部は、前記光電変換部が電荷を生成及び蓄積している期間において、温度に応じて前記転送ゲートの電位を制御することを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載の固体撮像装置。
9. 光電変換により電荷を生成して蓄積する光電変換部と、電荷を蓄積するための浮遊拡散部と、前記光電変換部により生成された電荷を前記浮遊拡散部に転送するための転送ゲートとを有する固体撮像装置の制御方法であって、
   前記光電変換部が電荷を生成して蓄積している期間において、前記光電変換部からあふれ出る電荷の一部が前記浮遊拡散部に流入するように前記転送ゲートの電位を制御する転送ゲート制御ステップと、
   前記光電変換部に蓄積された電荷及び前記浮遊拡散部にあふれ出た電荷に応じて画素信号を生成する画素信号生成ステップと
   を有することを特徴とする固体撮像装置の制御方法。
10. 請求項１〜８のいずれか１項に記載の固体撮像装置と、
    光学像を前記固体撮像装置に結像させるためのレンズと、
    前記レンズを通る光量を可変するための絞りと
    を有することを特徴とするカメラ。

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