JP2016086242A - 撮像装置 - Google Patents

Abstract

【課題】各画素に複数の電荷保持部を有する構成において、連続して複数フレームの撮影を行なう場合に、光電変換部で生じた電荷を全て用いることが可能な撮像装置を提供する。【解決手段】電荷保持部は、第１電荷保持部Ｍ１、第２電荷保持部Ｍ２および第３電荷保持部Ｍ３を有し、第１時刻ｔ１から第２時刻ｔ２までの第１期間Ｔ１に複数の画素の光電変換部で生じた電荷を第１期間Ｔ１に第１電荷保持部Ｍ１に転送し、且つ、第１期間Ｔ１よりも前の期間に第２電荷保持部Ｍ２および第３電荷保持部Ｍ３に保持された電荷を第１期間Ｔ１に増幅部の入力ノードへ転送し、第２時刻ｔ２から第３時刻ｔ３までの第２期間Ｔ２に複数の画素の光電変換部で生じた電荷を第２期間Ｔ２に第１電荷保持部Ｍ１および第３電荷保持部Ｍ３に転送して保持する。【選択図】図１

Description

本発明は、撮像装置に関し、特に光電変換部で生じた電荷を保持する複数の電荷保持部を有する撮像装置に関する。

従来、グローバル電子シャッタ動作を可能とする電荷保持部を有する撮像装置が知られている。

特許文献１に記載された撮像装置において、画素は１つの光電変換部で生じた電荷を保持する二つの電荷保持部を有しており、フレームごとにそれらの電荷保持部を使い分けることが記載されている。

特開２００９−２９６５７４号公報

しかしながら特許文献１に記載された撮像装置は、各フレームの画像を形成するための電荷の保持が終了し、保持した電荷を読み出す前に光電変換部で生じた電荷は、オーバーフロードレインを介して排出されており、全ての電荷を用いていない。

本発明は上記課題に鑑み、連続して複数フレームの撮影を行なう場合に、光電変換部で生じた電荷を全て用いることを可能とする撮像装置を提供することを目的とする。

本発明の撮像装置は、光電変換部と、光電変換部で生じた電荷を保持する電荷保持部と、電荷保持部に保持された電荷に基づく信号を出力する増幅部と、を有する画素を複数有する撮像装置であって、電荷保持部は、第１電荷保持部、第２電荷保持部および第３電荷保持部を有し、第１時刻から第２時刻までの第１期間に複数の画素の光電変換部で生じた電荷を、第１期間に第１電荷保持部に転送し、且つ、第１期間よりも前の期間に第２電荷保持部および第３電荷保持部に保持された電荷を第１期間に増幅部の入力ノードへ転送し、第２時刻から第３時刻までの第２期間に複数の画素の光電変換部で生じた電荷を第２期間に第１電荷保持部および第３電荷保持部に転送して保持することを特徴とする。

本発明の撮像装置によれば、連続して複数フレームの撮影を行なう場合に、光電変換部で生じた電荷を全て用いることが可能となる。

電荷の保持、転送の順序を説明するための概念図 各画素における電荷の移動を説明するための概念図 撮像装置のブロック図 画素の等価回路図 画素の平面模式図 画素の断面模式図 駆動タイミング図 画素の等価回路図 各画素における電荷の移動を説明するための概念図 保持時間と保持電荷量の関係説明図

本発明の一実施形態である撮像装置について図１、２を用いて説明する。本実施形態の撮像装置は、画素に、１つの光電変換部で生じた電荷を保持する３つ以上の電荷保持部を有する。

図１は連続する二つのフレームにおける画素からの信号読み出しシーケンスを示す図であり、図２は光電変換部から各電荷保持部への電荷の移動を説明するための概念図である。

図１において、第１露光期間Ｔ１２において光電変換部で生じた電荷がｎフレームの画像形成に用いられ、第２露光期間Ｔ３４において光電変換部で生じた電荷がｎ＋１フレームの画像形成に用いられる。さらにこれらのフレームの前後にも複数のフレームの撮影を行なうことで動画撮影が可能となる。光電変換部で生じた電荷は、第１電荷保持部Ｍ１、第２電荷保持部Ｍ２、第３電荷保持部Ｍ３のいずれかで保持された後、増幅部の入力ノードへ転送される。

図２（ａ）は、図１の第１期間Ｔ１における光電変換部、電荷保持部および増幅部の入力ノード間の電荷の移動を示している。同様に、図２（ｂ）は図１の第２期間Ｔ２、図２（ｃ）は第３期間Ｔ３、図２（ｄ）は第４期間Ｔ４における、光電変換部、電荷保持部および増幅部の入力ノード間の電荷の移動を示している。

第１期間Ｔ１は第１時刻ｔ１から第２時刻ｔ２までの期間であり、第２電荷保持部Ｍ２、第３電荷保持部Ｍ３において保持されている前フレーム（ｎ−１フレーム）の画像形成に用いられる電荷を行毎に増幅部の入力ノードへ転送する期間である。図１の読出動作で示している部分が、各行において第２電荷保持部Ｍ２および第３電荷保持部Ｍ３での保持された電荷を増幅部の入力ノードへ転送し、その後、信号線へ信号を読出す期間を示している。

この読出し動作と平行して、第１期間Ｔ１において光電変換部で生じた電荷は第１電荷保持部Ｍ１に転送され保持される。入射光量が所定の値を超えた場合には、第１電荷保持部Ｍ１と光電変換部との両者で電荷が保持される。

第２期間Ｔ２は第２時刻ｔ２から第３時刻ｔ３までの期間である。第２時刻ｔ２において、全行の第２電荷保持部Ｍ２、第３電荷保持部Ｍ３において保持されていた電荷の増幅部の入力ノードへの転送が終了する。第２期間Ｔ２に生じた電荷は少なくとも第３電荷保持部Ｍ３へ転送され保持される。つまり第３電荷保持部Ｍ３はｎ−１フレームの画像を形成する電荷の保持と、ｎフレームの画像を形成する電荷の保持との両者に用いられる。

また、ｎフレームの画像を形成する電荷のうち第２期間Ｔ２に光電変換部で生じた電荷の保持は少なくとも第３電荷保持部Ｍ３で行われるが、入射光量が所定の値を超えた場合には光電変換部においても電荷が保持される。更に、第２期間Ｔ２に光電変換部で生じた電荷を、第３電荷保持部Ｍ３に加えて、第１電荷保持部Ｍ１に転送して保持してもよい。

全行において、第１期間Ｔ１において生じた電荷を第１電荷保持部Ｍ１で保持し第２期間Ｔ２において生じた電荷を少なくとも第３電荷保持部Ｍ３で保持することで、全行の露光時間を等しくすることが可能となる。

第３期間Ｔ３は第３時刻ｔ３から第４時刻ｔ４までの期間であり、第１電荷保持部Ｍ１、第３電荷保持部Ｍ３で保持された、第１露光期間Ｔ１２において生じた電荷を、行毎に増幅部の入力ノードへ転送する期間である。

図１の読出動作で示している部分が、各行において第１電荷保持部Ｍ１および第３電荷保持部Ｍ３で保持された電荷を増幅部の入力ノードへ転送し、その後、信号線へ信号を読出す期間を示している。

この読み出し動作と平行して、第３期間Ｔ３において生じた電荷は第２電荷保持部Ｍ２に転送され保持される。入射光量が所定の値を超えた場合には、第２電荷保持部Ｍ２と光電変換部で電荷が保持される。これにより、第３期間Ｔ３において生じた電荷も失われることが無い。

第４期間Ｔ４は第４時刻ｔ４から第５時刻ｔ５までの期間である。第４時刻ｔ４において、全行の第１電荷保持部Ｍ１、第３電荷保持部Ｍ３において保持されていた電荷の増幅部の入力ノードへの転送が終了する。第４期間Ｔ４に生じた電荷は少なくとも第３電荷保持部Ｍ３へ転送され保持される。つまり第３電荷保持部Ｍ３はｎフレームの画像を形成する電荷の保持と、ｎ＋１フレームの画像を形成する電荷の保持との両者に用いられる。

また、ｎ＋１フレームの画像を形成する電荷のうち第４期間Ｔ４に光電変換部で生じた電荷の保持は少なくとも第３電荷保持部Ｍ３で行われるが、入射光量が所定の値を超えた場合には光電変換部においても電荷が保持される。更に、第４期間Ｔ２に光電変換部で生じた電荷を、第３電荷保持部Ｍ３に加えて、第２電荷保持部Ｍ２に転送して保持してもよい。

上述の動作によれば、第１電荷保持部Ｍ１、第２電荷保持部Ｍ２の容量値は、少なくとも電荷保持部から増幅部の入力ノードへ転送を行なう期間に生じる電荷を、光電変換部と共に保持できる容量値であればよい。したがって特許文献１のように排他的に二つの電荷保持部を各フレームで使い分ける場合に比べて、第１電荷保持部Ｍ１、第２電荷保持部Ｍ２の容量値を小さくすることができる。

全行において、第３期間Ｔ３において生じた電荷を第２電荷保持部Ｍ２で保持し第４期間Ｔ４において生じた電荷を少なくとも第３電荷保持部Ｍ３で保持することで、全行の露光時間を等しくすることが可能となる。

これらの動作を複数フレームにわたって繰り返し行うことで動画撮影が可能となる。

仮に、２つの電荷保持部（第１電荷保持部、第２電荷保持部）を各フレームで排他的に用いて動画撮影を行なう場合を考える。この場合には、ｎ−１フレームの画像を形成する電荷の保持を第１電荷保持部で行い、第１電荷保持部からこの電荷の読出しを行なっている期間中に、第２電荷保持部でｎフレームの画像を形成する電荷の保持が行われる。そして、全行において第１電荷保持部からの電荷の読出しが終了した時点で、第１電荷保持部においてｎ＋１フレームの画像を形成する電荷の保持を行なわなければならない。

途切れなく撮影を行なうためには、第１電荷保持部の読出し動作から保持する動作への切り替え時間を短くする必要がある。しかし、この期間が短すぎると、第１電荷保持部Ｍ１に、増幅部の入力ノードへ転送されなかった電荷（残電荷）が生じる恐れがある。この残電荷が画像に影響を与える場合がある。

これに対し本実施形態の駆動方法によれば、第１電荷保持部Ｍ１、第２電荷保持部Ｍ２の読出しが終了した後は、次の保持の期間まで所定の期間が存在する。したがって上述の残電荷の影響を低減することが可能となる。もしくは仮に残電荷が生じたとしても、読出しが終了した後に電荷保持部をリセットすることでこの残電荷を低減することが可能となる。

以下、本発明を具体的な実施例を用いて説明する。

（実施例１）
図３〜図７を用いて本実施例の撮像装置を説明する。各図面において、図１、２と同様の機能を有する部分には同じ符号を付し詳細な説明は省略する。

図３に本実施例の撮像装置のブロック図を示す。撮像装置５０１は、画素部５０２、駆動パルス生成部５０３、垂直走査回路５０４、信号処理部５０５、出力部５０６を有している。

画素部５０２は、光を電気信号へ変換し、変換した電気信号を出力する画素１００を複数有している。複数の画素１００は行列状に配されている。駆動パルス生成部５０３は駆動パルスを生成し、垂直走査回路５０４は駆動パルス生成部５０３からの駆動パルスを受け、各画素に制御パルスを供給する。信号処理部５０５は、少なくとも、複数の画素列から並列に出力された信号を順次、出力部５０６に伝達する。更に信号処理部５０５は、各画素列に対応し、信号の増幅、ＡＤ変換等を行なう列回路を有していてもよい。

次に図４を用いて本実施例の画素の等価回路を説明する。

光電変換部１０１は、入射光量に応じた量の電荷対を光電変換により生じさせる。ここでは光電変換部１０１の例としてフォトダイオードを示している。

第１転送部１０２、１０３、１０４は、光電変換部１０１で生じた電荷を電荷保持部Ｍ１、Ｍ２、Ｍ３に転送する。第１転送部１０２、第１転送部１０３、第１転送部１０４を区別して説明する必要がある場合には、第１転送部１０２を第１の第１転送部、第１転送部１０３を第２の第１転送部、第１転送部１０４を第３の第１転送部とよぶ。第１転送部１０２、１０３、１０４のゲートには、それぞれ制御パルスｐＴｘ１、ｐＴｘ２、ｐＴｘ３が供給され、オン状態（導通）、オフ状態（非導通）が切り替えられる。

第２転送部１０８、１０９、１１０は、第１電荷保持部Ｍ１、第２電荷保持部Ｍ２、第３電荷保持部Ｍ３で保持された電荷を増幅トランジスタ（増幅部）１１１の入力ノード１１２に転送する。第２転送部１０８、第２転送部１０９、第２転送部１１０を区別して説明する必要がある場合には、第２転送部１０８を第１の第２転送部、第２転送部１０９を第２の第２転送部、第２転送部１１０を第３の第２転送部とよぶ。第２転送部１０８、１０９、１１０のゲートには制御パルスｐＴｘ４、ｐＴｘ５、ｐＴｘ６が供給され、オン状態、オフ状態が切り替えられる。

ここでは、第１転送部１０２、１０３、１０４、第２転送部１０８、１０９、１１０として転送トランジスタを用いているが、必ずしもこの限りではない。オン状態、オフ状態を切り替えられればスイッチ等でもよい。

増幅トランジスタ１１１は、第２転送部１０８、１０９、１１０によって、入力ノード１１２に転送された電荷に基づく信号を増幅して出力する。より具体的には、入力ノード１１２に転送された電荷は、その量に応じた電圧に変換され、その電圧に応じた信号が増幅トランジスタ１１１を介して画素外へ出力される。ここでは、増幅部の例としてＭＯＳトランジスタを用いたソースフォロア回路を示している。また、入力ノード１１２は電荷を保持可能な構成となっている。なお、以下では増幅部を増幅トランジスタ１１１とする。

リセットトランジスタ１１３は、増幅トランジスタ１１１の入力ノード１１２に基準電位を供給する。また、リセットトランジスタ１１３と第２転送部１０８、１０９、１１０とのそれぞれのオン期間を重ねることにより、第１電荷保持部Ｍ１、第２電荷保持部Ｍ２、第３電荷保持部Ｍ３のそれぞれの電荷保持部の電位をリセットすることができる。更に、第１転送部１０２、１０３、１０４のオン期間を重ねることで光電変換部１０１のリセットを行なうことができる。リセットトランジスタ１１３のゲートには制御パルスｐＲＥＳが供給され、オン状態、オフ状態が切り替えられる。

選択トランジスタ１１４は、１つの信号線６２１に対して複数設けられている画素の信号を、１画素ずつもしくは複数画素ずつ出力させる。増幅トランジスタ１１１のドレインは電源電圧が供給されている電源配線６２０に接続され、増幅トランジスタ１１１のソースは、選択トランジスタ１１４のドレインに接続され、選択トランジスタ１１４のソースは信号線６２１に接続されている。

更に画素は、光電変換部１０１で生じた過剰な電荷を排出するためのオーバーフロードレイン部（ＯＦＤ部）を有していてもよい。

本実施例の構成に代えて、選択トランジスタ１１４を増幅トランジスタ１１１のドレインと電源配線６２０との間に設けてもよい。いずれの場合も、選択トランジスタ１１４は、増幅トランジスタ１１１と信号線６２１との電気的導通を制御する。選択トランジスタ１１４のゲートには、制御パルスｐＳＥＬが供給され、選択トランジスタ１１４のオン状態、オフ状態が切り替えられる。

なお、選択トランジスタ１１４を設けずに、増幅トランジスタ１１１のドレインもしくは増幅トランジスタ１１１のゲートの電位を切り替えることにより、選択状態、非選択状態を切り替えてもよい。

信号線６２１は、増幅トランジスタ１１１の出力を図示しない列回路に伝達する。

次に、図５を用いて本実施例の１つの画素の平面模式図を説明する。平面模式図とは、画素１００を平面視で示した図である。本実施例の平面模式図は、本実施例の構成部材の配置を示す一例である。各領域は説明のために矩形で表しているが、各構成が矩形をしているわけではなく、この領域に配されている事を表している。また、１画素のみ示したが、本発明の撮像装置はこの様な画素が複数配されて画素領域を構成している。

図５において、第１電荷保持部Ｍ１は、光電変換部１０１に対して第１方向（図下方向）に配置されている。第２電荷保持部Ｍ２は、光電変換部１０１に対して第１方向と直交する第２方向（図右方向）に配置されている。第３電荷保持部Ｍ３は光電変換部１０１に対して第１方向と第２方向とのいずれとも異なる方向に配置される。

画素には、増幅部の入力ノード１１２を構成する浮遊拡散領域１１５ａ、１１５ｂが配されており、浮遊拡散領域１１５ａは第１電荷保持部Ｍ１および第３電荷保持部Ｍ３からの電荷が転送される。浮遊拡散領域１１５ｂは第２電荷保持部Ｍ２および第３電荷保持部Ｍ３からの電荷が転送される。

増幅トランジスタ１１１、リセットトランジスタ１１３、選択トランジスタ１１４は互いに隣接して配置されている。このような配置とすることで、これら３つのトランジスタを同一の活性領域に配することができ、画素を微細化することができる。また、光電変換部と各トランジスタとの間、もしくは各電荷保持部と各トランジスタとの間には素子分離領域が配されていてもよい。

次に図６を用いて本実施例の１つの画素の断面模式図を説明する。図６（ａ）は図５のＡ−Ｂ線における断面模式図、図６（ｂ）は図５のＣ−Ｄ線における断面模式図である。

ここでは、第１導電型をＰ型とし、第２導電型を第１導電型と反対導電型のＮ型とし、信号電荷を電子とし、各トランジスタはＮ型のトランジスタとして説明する。ただし、導電型はこれに限られるものではなく、信号電荷としてホールを用い、トランジスタとしてＰ型のトランジスタを用いてもよい。

光電変換部１０１は、Ｐ型半導体領域（第１半導体領域）８０１とＮ型半導体領域８０２を含んで構成されるフォトダイオードを有している。またＮ型半導体領域８０２の表面にＰ型半導体領域８０３が配されることで埋め込み型のフォトダイオードを構成している。

Ｎ型半導体領域（第２半導体領域）８０５ａ、８０５ｂ、８０５ｃは、それぞれ、第１電荷保持部Ｍ１、第２電荷保持部Ｍ２、第３電荷保持部Ｍ３の一部を構成し、光電変換部１０１から転送された電荷を保持する。Ｎ型半導体領域８０５ａ、８０５ｂ、８０５ｃは、不純物濃度、深さ共に同一な構成である。これらは、同一工程で形成することができる。

ここで、Ｎ型半導体領域８０２と、Ｎ型半導体領域８０５ａ、８０５ｂ、８０５ｃとの不純物濃度は異なっても構わない。例えば、Ｎ型半導体領域８０２の不純物濃度を薄くすることによりＮ型半導体領域８０２からＮ型半導体領域８０５ａ、８０５ｂ、８０５ｃへの電荷転送効率が向上する。

Ｎ型半導体領域８０６ａは浮遊拡散領域１１５ａを構成し、Ｎ型半導体領域８０６ｂは浮遊拡散領域１１５ｂを構成している。浮遊拡散領域１１５ａ、浮遊拡散領域１１５ｂは増幅トランジスタ１１１のゲートとプラグ等を介して電気的に接続される。

Ｎ型半導体領域８０４ａ、８０４ｂ、８０４ｃは、Ｎ型半導体領域８０５ａ、８０５ｂ、８０５ｃと、Ｎ型半導体領域８０２との間のチャネルに配される領域である。ここでは、低濃度のＮ型不純物がドープされ、埋め込みチャネルを構成している。

第１制御電極８０７ａ、８０７ｂ、８０７ｃは、Ｎ型半導体領域８０４ａ、８０４ｂ、８０４ｃ上に絶縁膜８１６を介して配され、第１転送部１０２、１０３、１０４を構成する。第２制御電極８０８ａ、８０８ｂ、８０８ｃは、第２転送部１０８、１０９、１１０を構成する。遮光膜８０９は、絶縁膜８１７を挟んで第１制御電極８０７ａ、８０７ｂ、８０７ｃおよびＮ型半導体領域８０５ａ、８０５ｂ、８０５ｃ上に配されている。

この遮光膜８０９により光が、Ｎ型半導体領域８０５ａ、８０５ｂ、８０５ｃに入射し、電荷が生じることを低減させることができる。更に、Ｎ型半導体領域８０５ａ、８０５ｂ、８０５ｃの表面に不図示のＰ型半導体領域を設けてもよい。この構造により、各電荷保持部における暗電流を抑制することができる。

次に図７に、図４に示した撮像装置５０１の駆動パルスの一例を示す。ここでは、ｎ行目（ｎ）の画素と、ｎ＋１行目（ｎ＋１）の画素の駆動パルスを示している。

ここでは、２行について示したが、更に複数行を有する場合には、蓄積駆動パルスは全行同一のパルスを印加し、読出し駆動パルスは行ごとにパルスの印加タイミングをシフトさせることにより、全画素行の信号を読み出すことが出来る。

図では時刻ｔ１１から時刻ｔ３０までが示されているが、時刻ｔ２１から時刻ｔ３０における動作は、時刻ｔ１１から時刻ｔ２０までの動作と類似の動作であるため説明が重複する部分は適宜省略して説明する。

ここで、図７の実線は入力される駆動パルスを示している。駆動パルスがハイレベル（Ｈ）の時に、対応するトランジスタまたはスイッチがオン状態である。駆動パルスがローレベル（Ｌ）の時に、対応するトランジスタまたはスイッチがオフ状態である。これらの駆動パルスは、撮像装置に配された駆動パルス生成部５０３によって生成された制御パルスを受けた垂直走査回路５０４により各画素に供給される。

図１の第１時刻ｔ１が図７の時刻ｔ１１に対応し、図１の第２時刻ｔ２が図７の時刻ｔ２０に対応する。更に、図１の第３時刻ｔ３が図７の時刻ｔ２１に対応し、第４時刻ｔ４が時刻ｔ３０に対応する。

第１露光期間Ｔ１２の開始時刻である時刻ｔ１１では、全行のｐＴｘ１がＨレベルであり、ｐＴｘ２、ｐＴｘ３がＬレベルである。したがって第１の第１転送部１０２がオン状態、第２および第３の第１転送部１０３、１０４はオフ状態である。またｎ行目のｐＲｅｓがＨレベルであるため、ｎ行目のリセットトランジスタはオン状態であり、入力ノード１１２の電位がリセットされている。この時、光電変換部で生じた電荷は、第１電荷保持部Ｍ１に転送され、第２電荷保持部Ｍ２、第３電荷保持部Ｍ３には転送されない。

またｐＴｘ４、ｐＴｘ５、ｐＴｘ６はＬレベルである。したがって、第２転送部１０８、１０９、１１０はオフ状態であり、第２電荷保持部Ｍ２、第３電荷保持部Ｍ３においてｎ−１フレームの画像を形成するための電荷が保持され、この期間において生じた電荷が第１電荷保持部Ｍ１に転送され保持される。

時刻ｔ１２では、時刻ｔ１１の状態から、ｎ行目のｐＲｅｓがＬレベルに変化し、入力ノード１１２のリセット動作が終了する。

時刻ｔ１３では、時刻ｔ１２の状態から、ｎ行目のｐＴｘ５、ｐＴｘ６がＨレベルに変化する。これによって、第２および第３の第２転送部１０９、１１０がオン状態となり、ｎ行目の第２電荷保持部Ｍ２および第３電荷保持部Ｍ３に保持されていた電荷が、入力ノード１１２へ転送される。

ｎ行目のｐＳＥＬがＨレベルであるため、ｎ行目の選択トランジスタ１１４がオン状態であり、ｎ行目の信号が増幅トランジスタ１１１、選択トランジスタ１１４を介して信号線６２１へ出力される。そして時刻ｔ１４では、時刻ｔ１３の状態から、ｎ行目のｐＴｘ５、ｐＴｘ６がＬレベルに変化し、第２および第３の第２転送部１０９、１１０がオフ状態となり、不図示の列回路において、信号線６２１に出力された信号がサンプリングされる。

時刻ｔ１５では、時刻ｔ１４の状態から、ｎ行目のｐＳＥＬがＬレベルとなり、ｎ＋１行目のｐＳＥＬがＨレベルとなる。したがってｎ行目の選択トランジスタ１１４がオフ状態となり、ｎ＋１行目の選択トランジスタ１１４がオン状態となる。更にｎ＋１行目のｐＲＥＳがＨレベルとなり、ｎ＋１行目のリセットトランジスタ１１３がオン状態となる。この動作によりｎ＋１行目の入力ノード１１２の電位がリセットされる。

時刻ｔ１６では、時刻ｔ１５の状態から、ｎ＋１行目のｐＲｅｓがＬレベルに変化し、ｎ＋１行目の入力ノード１１２のリセット動作が終了する。

時刻ｔ１７では、時刻ｔ１６の状態から、ｎ＋１行目のｐＴｘ５、ｐＴｘ６がＨレベルに変化し、第２および第３の第２転送部１０９、１１０がオン状態となる。これによってｎ＋１行目の第２電荷保持部Ｍ２および第３電荷保持部Ｍ３に保持されていた電荷が、入力ノード１１２へ転送される。ｎ＋１行目のｐＳＥＬがＨレベルであるため、ｎ＋１行目の選択トランジスタがオン状態であり、ｎ＋１行目の信号が増幅トランジスタ１１１、選択トランジスタ１１４を介して信号線６２１へ出力される。

そして時刻ｔ１８では、時刻ｔ１７の状態から、ｎ＋１行目のｐＴｘ５、ｐＴｘ６がＬレベルに変化し、第２および第３の第２転送部１０９、１１０がオフ状態となり不図示の列回路において、信号線６２１に出力された信号がサンプリングされる。

時刻ｔ１９では、時刻ｔ１８の状態から、ｎ＋１行目のｐＳＥＬがＬレベルとなり、ｎ＋１行目の選択トランジスタ１１４がオフ状態となる。尚、図７では簡略化のために示していないが、ｎ＋２行目以降の画素から信号線６２１に信号を出力する場合には、不図示のｎ＋２行目のｐＳＥＬがＨレベルとなりｎ＋２行目の選択トランジスタがオン状態となる。更にｎ＋２行目のｐＲＥＳがＨレベルとなり、ｎ＋２行目のリセットトランジスタがオン状態となる。ｎ＋２行目の入力ノード１１２の電位がリセットされる。

時刻ｔ２０では、時刻ｔ１９の状態（全行の画素から信号線６２１への出力が終わった状態）から、全行のｐＴｘ３がＨレベルへ変化し、全行の第３の第１転送部１０４がオン状態となる。そしてその後、第１露光期間ｔ１２のうち、時刻ｔ２０から時刻ｔ２１の期間において光電変換部で生じた電荷は、第１電荷保持部Ｍ１、第３電荷保持部Ｍ３にて保持される。つまり第１期間Ｔ１中、第１の第１転送部１０２はオン状態を維持している。

時刻ｔ２１では、時刻ｔ２０の状態から、全行のｐＴｘ１およびｐＴｘ３がＬレベルに変化する。これにより、全行の第１および第３の第１転送部１０２、１０４がオフ状態となり、第１電荷保持部Ｍ１および第３電荷保持部Ｍ３と、光電変換部とが電気的に分離される。

そして、全行のｐＴｘ２がＨレベルとなる。これにより全行の第２の第１転送部１０３がオン状態となり、光電変換部で生じた電荷が第２電荷保持部Ｍ２に転送され、第２電荷保持部Ｍ２において電荷が保持される。これにより、第２露光期間Ｔ３４においては、第１露光期間Ｔ１２で電荷の保持を行なっていなかった第２電荷保持部Ｍ２において電荷を保持している。つまり第２期間Ｔ２中、第１の第１転送部１０２、第３の第１転送部１０４はオン状態を維持している。

そして、第１露光期間Ｔ１２において光電変換部で生じ、第１電荷保持部Ｍ１、第３電荷保持部Ｍ３で保持された電荷を、期間Ｔ３において読み出す。そして時刻ｔ３０において、全行のｐＴｘ３をＨレベルとすることで、期間Ｔ４において生じた電荷を第２電荷保持部Ｍ２と第３電荷保持部Ｍ３を用いて保持する。また第３期間Ｔ３中、第２の第１転送部１０３はオン状態を維持し、第４期間Ｔ４中、第２の第１転送部１０３、第３の第１転送部１０４がオン状態を維持している。

なお、時刻ｔ１９と時刻ｔ２０との間の期間に、全行のｐＴｘ５とｐＴｘ６とｐＲＥＳとをＨレベルへ変化させてオン状態とすることで、第２電荷保持部Ｍ２と第３電荷保持部Ｍ３のリセット動作を行ってもよい。また、時刻ｔ２９と時刻ｔ３０との間に、ｐＴｘ４とｐＴｘ６とｐＲＥＳとをＨレベルへ変化させてオン状態とすることで、第１電荷保持部Ｍ１と第３電荷保持部Ｍ３のリセット動作を行ってもよい。

もしくは、第２期間Ｔ２において、全行のｐＴｘ５とｐＲＥＳをＨレベルに変化させてオン状態とすることで、第２電荷保持部Ｍ２のリセット動作を行ってもよい。または、第４期間Ｔ４において、ｐＴｘ４とｐＲＥＳとをＨレベルに変化させてオン状態とすることで、第１電荷保持部Ｍ１のリセット動作を行ってもよい。

上述したように第３電荷保持部Ｍ３は、第１露光期間Ｔ１２の一部の期間である第２期間Ｔ２に生じた電荷および第２露光期間Ｔ３４の一部の期間である第４期間Ｔ４に生じた電荷の両者を保持する。

また、図５に示したように第３電荷保持部Ｍ３の平面視における面積が最も大きい構成とし、第３電荷保持部Ｍ３の容量値を一番大きくした。このような構成にすることで、第１露光期間Ｔ１２および第２露光期間Ｔ３４のどちらの露光期間でも用いられる第３電荷保持部Ｍ３の容量を増やすことができ、各露光期間における飽和電荷量を増やすことが出来る。

なお、図７に示すように、電荷の転送を行う第１期間Ｔ１および第３期間Ｔ３よりも、電荷の保持のみを行う期間Ｔ２、Ｔ４の期間を長くするとよい。これにより第１電荷保持部Ｍ１および第２電荷保持部Ｍ２の容量値（面積）を小さくすることができる。これにより第１電荷保持部Ｍ１と第２電荷保持部Ｍ２の面積を小さくした分、第３電荷保持部Ｍ３の面積を大きくでき、画素の面積に対する第３電荷保持部Ｍ３の面積の占める割合を大きくすることが出来る。

本実施例では、電荷保持部を３つ備えた場合の例を示したが、電荷保持部を４つ以上備えていても構わない。その場合には、４つ目以降を第３電荷保持部と同時に駆動する。

（実施例２）
本実施例の撮像装置を図８及び図９を用いて説明する。実施例１と同様の機能を有する部分には同様の符号を付し詳細な説明は省略する。本実施例の撮像装置は実施例１の撮像装置と等価回路が異なる。

図８は本実施例の撮像装置の等価回路であり、図９は光電変換部１０１から各電荷保持部への電荷の移動を説明するための概念図である。

図８に示すように本実施例では、光電変換部１０１に対して、第１電荷保持部Ｍ１および第２電荷保持部Ｍ２が並列に配されている。そして、第１電荷保持部Ｍ１、第２電荷保持部Ｍ２と入力ノード１１２との間の電気経路に第３電荷保持部Ｍ３が配されている。そして、第１電荷保持部Ｍ１の電荷を第３電荷保持部Ｍ３に転送する第３転送部１００８、第２電荷保持部Ｍ２の電荷を第３電荷保持部Ｍ３に転送する第４転送部１００９を有している。

図９（ａ）は、図１の第１期間Ｔ１における光電変換部１０１、電荷保持部および増幅トランジスタ１１１の入力ノード１１２間の電荷の移動を示している。同様に、図９（ｂ）は図１の第２期間Ｔ２、図９（ｃ）は第３期間Ｔ３、図９（ｄ）は第４期間Ｔ４における、光電変換部１０１、電荷保持部および増幅トランジスタ１１１の入力ノード１１２間の電荷の移動を示している。

図９（ａ）においては、全行の第１電荷保持部Ｍ１で第１期間Ｔ１に光電変換部１０１に生じた電荷を保持している。そして、第２電荷保持部Ｍ２および第３電荷保持部Ｍ３に保持された、前フレーム（ｎ−１フレーム）の画像を形成するための電荷を、各行ごとに入力ノード１１２に転送する。この時、各行の第２転送部１１０、第４転送部１００９が順次オン状態となる。

そして、図９（ｂ）においては、全行において第２期間Ｔ２に生じた電荷を第１電荷保持部Ｍ１および第３電荷保持部Ｍ３に転送して保持する。この時、第１電荷保持部Ｍ１と第３電荷保持部Ｍ３は、第３転送部１００８がオン状態となることで電気的に接続されている。

図９（ｃ）においては、全行の第２電荷保持部Ｍ２で第３期間Ｔ３に光電変換部１０１で生じた電荷を保持している。そして、第１電荷保持部Ｍ１および第３電荷保持部Ｍ３に保持された、ｎフレームの画像を形成するための電荷を各行ごとに入力ノード１１２に転送する。この時、各行の第３転送部１００８および第２転送部１１０が順次オン状態となる。

そして、図９（ｄ）においては、全行において、第４期間Ｔ４で光電変換部に生じた電荷を第２電荷保持部Ｍ２および第３電荷保持部Ｍ３に転送して保持する。この時、第２電荷保持部Ｍ２と第３電荷保持部Ｍ３は、第４転送部１００９がオン状態となることで電気的に接続されている。

本実施例の駆動方法によれば特に動画撮影を行なう場合などのように、途切れなく連続した撮影を行なう場合に、前フレームで生じた電荷の保持に用いていない電荷保持部を用いる。これにより、フレーム毎の露光期間が切り替わった際に途切れなく光電変換部で生じた電荷を用いることが可能となる。

（実施例３）
本実施例は実施例１、２の撮像装置において、第１電荷保持部Ｍ１、第２電荷保持部Ｍ２、第３電荷保持部Ｍ３の容量値の関係が以下の式１および式２に示す関係を満たす例である。

式１では、第１電荷保持部Ｍ１と第３電荷保持部Ｍ３の容量値の和が、電荷保持部全体の容量値の半分よりも大きくなるように構成されることを示す。式２では第２電荷保持部Ｍ２と第３電荷保持部Ｍ３との容量値の和が、電荷保持部全体の容量値の半分よりも大きくなるように構成されることを示す。

Ｃ１：第１電荷保持部の容量値（ｆＦ）、Ｃ２：第２電荷保持部の容量値（ｆＦ）、Ｃ３：第３電荷保持部の容量値（ｆＦ）

この構成を実施例１、２の撮像装置に適用することで、実施例１、２で述べた効果に加え、各フレームの飽和電荷量を大きくすることが出来る。比較例として二つの電荷保持部（第１電荷保持部、第２電荷保持部）を有し、この二つの電荷保持部を排他的に用いる構成においては、各フレームの飽和電荷量を電荷保持部全体の半分よりも大きくすることはできない。これに対し本実施例の容量値の関係にすることで、各フレームの飽和電荷量を、電荷保持部全体の容量値の半分よりも大きくすること可能となる。

また、更に、第１露光期間Ｔ１２と第２露光期間Ｔ３４とで共通に用いる第３電荷保持部Ｍ３の容量値を第１電荷保持部Ｍ１、第２電荷保持部Ｍ２の容量値よりも大きくするとさらに各フレームの飽和電荷量を大きくすることができるため好ましい。

次に本実施例の電荷保持部の構成について説明する。電荷保持部として用いられる容量として、例えばＰＮ接合容量、ＭＯＳ容量、誘電体をポリシリコンで挟んで形成されたような平行平板型の容量が挙げられる。これらの容量を各電荷保持部に設けた場合に、各電荷保持部で単位面積当たりの容量が異なる場合と、単位面積当たりの容量が同じとなる場合とが考えられる。

まず各電荷保持部において単位面積当たりの容量値が同じ場合について説明する。例えば、各電荷保持部がＰＮ接合容量である時に、添加された不純物の種類や濃度、深さが同一である場合がある。この時には同一マスクを用いて各電荷保持部を形成することができる。また、例えば、各電荷保持部が前述した平行平板型の容量の場合には、平行平板間の距離が同一の時である。また、例えば、各電荷保持部がＭＯＳ容量の場合には、ＭＯＳ容量を構成するゲート電極の下部の半導体領域の不純物濃度、および深さが同一である場合である。

これらのような場合には、平面視における各電荷保持部の面積の大小関係が容量値の大小関係となる。

そして、上記のような場合を含み、容量値を決めるパラメータにおいて、面積が支配的な場合を除いて、面積以外の各パラメータがそれぞれの電荷保持部で異なる場合には、単位面積当たりの容量値が異なる。

ここでは例として電荷保持部を３つとして説明したが、４つ以上でもよい。その際は、４つ目以降は第３電荷保持部Ｍ３の一部とみなす。

（実施例４）
本実施例の撮像装置は、電荷保持部の容量値の大きさと、各電荷保持部で電荷を保持する期間の長さを規定するものである。各図面において、同様の機能を有する部分には同じ符号を付し詳細な説明は省略する。

図１の第１露光期間Ｔ１２において、第１電荷保持部Ｍ１の容量値をＣ１とし、第３電荷保持部Ｍ３の容量値をＣ３とする。この時、時刻Ｔ１において、第２電荷保持部Ｍ２と第３電荷保持部Ｍ３は、前フレームで生じた電荷を保持し、第１電荷保持部は第１フレームで生じた電荷を保持する。この期間をｔｃ１とし、第２期間Ｔ２において、第１電荷保持部Ｍ１と第３電荷保持部Ｍ３とに第１フレームで生じた電荷を保持する期間をｔｃ３とする。この時、本実施例の撮像装置は期間ｔｃ１と期間ｔｃ３の長さを用いて、Ｃ１とＣ３の関係が式３を少なくとも満たす。

本実施例により、期間ｔｃ１とｔｃ３において第１電荷保持部Ｍ１が飽和する前に第３電荷保持部Ｍ３に電荷の保持を開始することが可能となる。

図１０は保持時間と保持電荷量の関係を示すグラフである。

横軸に保持時間、縦軸に保持電荷量を示している。縦軸には第１電荷保持部Ｍ１の容量Ｃ１および第１電荷保持部Ｍ１および第３電荷保持部Ｍ３の容量Ｃ１とＣ３の容量値の和を示している。横軸には、保持期間ｔｃ１およびｔｃ３を示している。また、時刻ｔ１は期間ｔｃ１が終了する時刻、時刻ｔ２は保持期間ｔｃ３が終了する時刻である。

グラフ１１０１は、一定の光量下における保持期間ｔｃ１およびｔｃ３における保持時間と保持電荷量の関係を示している。グラフ１１０１では、時刻ｔ２において、第１電荷保持部Ｍ１および第３電荷保持部Ｍ３が飽和に達する。ここでは、時刻ｔ１における保持電荷量は第１電荷保持部Ｍ１が飽和に達する量となっている。

ただし、容量Ｃ１は式３で示される容量よりも大きくても構わない。なぜなら、Ｃ１がこれよりも大きい場合においても時刻ｔ１において、第１電荷保持部Ｍ１が飽和に達することはないからである。よって、式４を満たせばよい。

ここで、第２電荷保持部Ｍ２と第３電荷保持部Ｍ３に電荷を保持する場合には、第２電荷保持部Ｍ２の容量をＣ２、蓄積期間をｔｃ２（例えば実施例１の第４期間Ｔ４）とした時に、前述した第１電荷保持部Ｍ１と同様に考えられ、式５を満たせばよい。

以上のことから、式４を満たすように第１電荷保持部Ｍ１および第３電荷保持部Ｍ３の容量値を設定することにより、強い光量下においても、第１電荷保持部Ｍ１が飽和に達することなく第３電荷保持部Ｍ３への電荷保持を開始することができる。また、式４および式５を満たし、上述の実施例に記載した駆動を行うことで、途切れのない動画撮影が可能となる。

１００ 画素
１０１ 光電変換部
Ｍ１ 第１電荷保持部
Ｍ２ 第２電荷保持部
Ｍ３ 第３電荷保持部
１１１ 増幅部
１１２ 入力ノード

Claims (14)

1. 光電変換部と、
   前記光電変換部で生じた電荷を保持する電荷保持部と、
   前記電荷保持部に保持された電荷に基づく信号を出力する増幅部と、
   を有する画素を複数有する撮像装置であって、
   前記電荷保持部は、第１電荷保持部、第２電荷保持部および第３電荷保持部を有し、
   第１時刻から第２時刻までの第１期間に前記複数の画素の前記光電変換部で生じた電荷を、前記第１期間に前記第１電荷保持部に転送し、且つ、前記第１期間よりも前の期間に前記第２電荷保持部および前記第３電荷保持部に保持された電荷を前記第１期間に前記増幅部の入力ノードへ転送し、
   前記第２時刻から第３時刻までの第２期間に前記複数の画素の前記光電変換部で生じた電荷を前記第２期間に前記第１電荷保持部および前記第３電荷保持部に転送して保持することを特徴とする撮像装置。
2. 前記第３時刻から第４時刻までの第３期間に前記複数の画素の前記光電変換部で生じた電荷を前記第３期間に前記第２電荷保持部に転送して保持し、且つ、前記第１電荷保持部および前記第３電荷保持部において保持されている電荷を前記第３期間に前記増幅部の入力ノードへ転送し、
   前記第４時刻から第５時刻までの第４期間に前記複数の画素の前記光電変換部で生じた電荷を前記第４期間に前記第２電荷保持部および前記第３電荷保持部に転送して保持することを特徴とする請求項１に記載の撮像装置。
3. 前記画素は、
   前記光電変換部で生じた電荷を前記第１電荷保持部に転送する第１の第１転送部と、
   前記光電変換部で生じた電荷を前記第１電荷保持部に転送する第２の第１転送部と、
   前記光電変換部で生じた電荷を前記第１電荷保持部に転送する第３の第１転送部と、を有することを特徴とする請求項２に記載の撮像装置。
4. 前記第１期間中、前記第１の第１転送部がオン状態を維持していることを特徴とする請求項３に記載の撮像装置。
5. 前記第２期間中、前記第１の第１転送部および前記第３の第１転送部がオン状態を維持していることを特徴とする請求項３または４に記載の撮像装置。
6. 前記第３期間中、前記第２の第１転送部がオン状態を維持していることを特徴とする請求項３乃至５のいずれか１項に記載の撮像装置。
7. 前記第４期間中、前記第２の第１転送部および前記第３の第１転送部がオン状態を維持していることを特徴とする請求項３乃至６のいずれか１項に記載の撮像装置。
8. 前記第１期間より前記第２期間が長いことを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載の撮像装置。
9. 前記電荷保持部の電荷を前記入力ノードへ転送した後に、前記電荷保持部の電荷をリセットすることを特徴とする請求項１乃至８のいずれか１項に記載の撮像装置。
10. 前記第１電荷保持部および前記第２電荷保持部は、前記光電変換部に対して並列に配されていることを特徴とする請求項１乃至９のいずれか１項に記載の撮像装置。
11. 前記第３電荷保持部は、前記第１電荷保持部、前記第２電荷保持部と共に、前記光電変換部に並列に配されていることを特徴とする請求項１０に記載の撮像装置。
12. 前記第３電荷保持部は、前記第１電荷保持部および前記第２電荷保持部と、前記入力ノードとの間の電気経路に配されることを特徴とする請求項１０に記載の撮像装置。
13. 前記第１電荷保持部、前記第２電荷保持部および前記第３電荷保持部の容量を、Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３とした時に、式１と式２の関係を同時に満たすことを特徴とする請求項１乃至１２のいずれか１項に記載の撮像装置。
    

    

    
    

    
14. 前記第１電荷保持部、前記第２電荷保持部および前記第３電荷保持部の容量を、Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３とし、前記第１期間の長さをｔｃ１、前記第２期間の長さをｔｃ２、前記第３期間の長さをｔｃ３とした時に、式３と式４の関係を同時に満たすことを特徴とする請求項２乃至７のいずれか１項に記載の撮像装置。
    

    

    
    

    

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