JP2006352843A - 撮像装置及び制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 撮像装置においてクランプ回路を用いる場合に、クランピング後の出力レベルの範囲を所定の範囲内に抑えること。
【解決手段】 それぞれが、受光量に応じて光電変換信号を出力する光電変換部（８０２）を含む、２次元に配置された複数の画素（８０１）と、クランプ回路を含む出力部（８１１）と、前記クランプ回路に基準信号を出力する信号供給回路（８１４）と、前記画素からの前記光電変換信号を前記クランプ回路へ出力するのに先だって、前記基準信号をクランプし（ｔ１００１ーｔ１００２）、その後、前記光電変換信号を前記クランプ回路に出力し（ｔ１００３ーｔ１００６）、その後、前記画素のノイズ信号を前記クランプ回路へ出力する（ｔ１００６−ｔ１００８）ように制御する制御部（８１３）と、前記クランプ回路によって処理された前記光電変換信号と前記ノイズ信号との差分処理を行う差分回路（６１２）とを有する。
【選択図】 図６

Description

本発明は、光電変換により被写体像を撮像する撮像装置及びその制御方法に関する。

従来より、画素毎に又はライン毎に画素に蓄積された不要電荷を除去するリセット走査を実行し、その後、一画素又はライン毎に、それぞれ所定の時間を経過してから信号電荷を読み出す走査を行うことで電子シャッタ動作を実現できることが知られている。

従来のＸＹアドレス型の走査方法を採る撮像素子を用いた撮像装置において、電子シャッタ動作について説明する。図１１及び図１２を用いて従来の撮像素子の構造と、電子シャッタ動作の内、ローリング電子シャッタ動作と呼ばれる駆動方法について説明する。

図１１は、従来のＸＹアドレス型の走査方法を採る撮像素子の構成を示す模式図である。

１０１は単位画素であり、複数の単位画素１０１が行列状に配置されている。１０２は、被写体像の光を信号電荷に変換するフォトダイオード（以下、「ＰＤ」と記す。）である。１０４は、信号電荷を一時的に蓄積しておく領域（フローティングディフュージョン部、以下、「ＦＤ」と記す。）である。１０３は、転送パルスφＴＸによってＰＤ１０２で発生した信号電荷をＦＤ１０４に転送する転送スイッチである。１０５は、ソースフォロアとして機能する増幅ＭＯＳアンプである。１０６は、選択パルスφＳＥＬによって単位画素１０１を選択する選択スイッチであり、１０７は、リセットパルスφＲＥＳによってＦＤ１０４を所定の電位（Ｖ_ＤＤ）にリセットするリセットスイッチである。ＦＤ１０４、増幅ＭＯＳアンプ１０５、及び後述する定電流源１０９でフローティングディフュージョンアンプが構成される。選択スイッチ１０６で選択された単位画素１０１の信号電荷が電圧に変換され、信号線１０８を経て読み出し回路１１１に出力される。１０９は、増幅ＭＯＳアンプ１０５の負荷となる定電流源である。

水平走査回路１１０の駆動により、読み出し回路１１１から各画素１０１の出力が出力線１１２に出力される。また、１１３はスイッチ１０３，１０６，１０７にそれぞれ駆動信号φＴＸ、φＳＥＬ、φＲＥＳを供給することで、各画素の駆動を制御する垂直走査回路である。φＴＸ、φＲＥＳ、φＳＥＬそれぞれにおいて、垂直走査回路１１３により走査選択されたｎ行目の走査ラインに供給する駆動信号をφＴＸｎ，φＲＥＳｎ，φＳＥＬｎとする。

図１２は、ローリング電子シャッタ動作における駆動パルスと動作シーケンスを示す模式図である。なお図１１では、垂直走査回路１１３によって第ｎラインから第ｎ＋３ラインを駆動した例を記述している。

ローリング電子シャッタ動作では、第ｎラインにおいて、まず時刻ｔ３１からｔ３２の間、φＲＥＳｎとφＴＸｎにパルスが印加され転送スイッチ１０３及びリセットスイッチ１０７をオンにする。これにより、第ｎラインのＰＤ１０２とＦＤ１０４に蓄積されている不用電荷を除去し、所定電位にリセットするリセット動作を行う。時刻ｔ３２で転送スイッチ１０３がオフになり、ＰＤ１０２に発生した光電荷が蓄積される蓄積動作が始まる。

次に、時刻ｔ３４においてφＴＸｎにパルスを印加して転送スイッチ１０３をオンにし、ＰＤ１０２に蓄積された光電荷をＦＤ１０４に転送する転送動作を行う。なお、リセットスイッチ１０７は、転送動作に先んじてオフしておく。ここで、時刻ｔ３２から、φＴＸｎがローとなって転送動作が終了する時刻ｔ３５までが電荷蓄積時間となる。第ｎラインの転送動作終了後、φＳＥＬｎにパルスが印加され選択スイッチ１０６がオンすることにより、ＦＤ１０４で保持した光電荷が電圧に変換され、読み出し回路１１１に出力される。読み出し回路１１１で一時的に保持された信号が水平走査回路１１０の駆動によって時刻ｔ３６より順次出力される。時刻ｔ３４の転送開始から時刻ｔ３７の読み出し終了までをＴ３ｒｅａｄとし、時刻ｔ３１から時刻ｔ３３までの時間をＴ３ｗａｉｔとする。他のラインにおいても同様に、転送開始から読み出し終了までの時間がＴ３ｒｅａｄとなり、あるラインのリセット開始から次のラインのリセット開始までの間の時間がＴ３ｗａｉｔとなる。

ところで、図１２に示すローリング電子シャッタは、画面の上部と下部とで蓄積時刻が画面の走査に要した時間だけずれるという問題がある。これは、あるラインのリセットをしてから次のラインのリセットをするまでの時間Ｔ３ｗａｉｔを、転送開始から読み出し終了までにかかる時間Ｔ３ｒｅａｄ以上の時間に設定する必要があるためである。このＴ３ｗａｉｔ時間がＴ３ｒｅａｄ時間より短いと、電荷蓄積時間をすべての行で同じにしようとした場合、以下のような問題が生じる。即ち、読み出し回路１１１に一時保持された第ｎラインの信号の読み出し動作が完了する前の、第ｎラインの画素の信号が読み出し回路１１１に残っている内に次のラインの信号が読み出し回路１１１転送されてしまう。これにより、第ｎラインの一部の画素の信号の読み出しができないばかりか、読み残された第ｎラインの信号が第ｎ＋１ラインの信号と加算されて、第ｎ＋１ラインの信号として誤った信号が出力されてしまうことになる。また、読み出し回路１１１から高速に信号出力の読み出し走査ができないと、特に画素数が多い場合、画像の上下における電荷蓄積時刻（つまり、撮影タイミング）のずれが大きくなる。

また、特許文献１に記載されていているような、リセット動作及び転送動作を一括で行うＭＯＳ型撮像素子も存在する。このような動作における動作シーケンスを図１３に示す。図１３において、時刻ｔ４１から時刻ｔ４２にすべてのラインのリセット動作が同時に行われる。また、時刻ｔ４３から時刻ｔ４４までの転送動作も同時に行われる。以下、このような電子シャッタを一括電子シャッタと呼ぶ。一括電子シャッタを行うと電荷蓄積時間は全ラインでｔ４２からｔ４４までとなり、電荷蓄積時刻が画面の上下でずれない電子シャッタを実現することができる。

また、リセット動作及び転送動作を高速で行うために、リセット動作と転送動作の高速化を図った図１４で示す動作シーケンスを行うＭＯＳ型撮像素子も存在する。このシーケンスを図１１及び図１４を用いて説明する。

まず、時刻ｔ５１からｔ５２までφＲＥＳｎとφＴＸｎにパルスを印加することによって、リセットスイッチ１０７と転送スイッチ１０３をオンにし、第ｎラインのＰＤ１０２とＦＤ１０４をリセットするリセット動作を行う。時刻ｔ５２より第ｎラインのＰＤ１０２に光電荷が発生する電荷蓄積動作が始まり、ｔ５３に最終ラインまでのリセット動作が完了する。時刻ｔ５４からｔ５５においてφＴＸｎにパルスを印加して転送スイッチ１０３をオンにし、第ｎラインのＰＤ１０２で溜まった光電荷をＦＤ１０４に転送する転送動作を行う。時刻ｔ５２から時刻ｔ５５までが第ｎラインの蓄積時間となる。第ｎ＋１ライン以降の転送動作についてはｔ５５以降の時刻に順次行われ、時刻ｔ５７ですべてのラインの転送が完了する。

ここで、第ｎラインの転送動作終了後、時刻ｔ５５にφＳＥＬｎにパルスが印加されスイッチ１０６がオンとなる。これにより、ＦＤ１０４で保持した電荷が増幅ＭＯＳアンプ１０５と定電流源１０９で構成されるソースフォロア回路によって電圧に変換され、読み出し回路１１１に読み出される。読み出し回路１１１で一時的に保持された信号が水平走査回路１１０の制御によって時刻ｔ５６より順次出力線１１２に出力される。第ｎ＋１ラインの読み出しは、第ｎラインの信号がすべて読み出し回路１１１から読み出された後の時刻ｔ５８以降に行われる。図１４に示すシーケンスによって、あるラインの走査開始から次のラインの走査開始までの時間が読み出し時間に依存せず決定できるため、ローリング電子シャッタによる画像の歪みを低減することができる。このような電子シャッタをローリング転送電子シャッタと呼ぶ。一括電子シャッタ、ローリング電子シャッタ及びローリング転送電子シャッタでは、メカニカルシャッタを用いる必要がないため、動画用途に最適である。

一方、各画素から読み出される光信号から、各画素に特有のノイズを除去する構成が知られている。その一例として、各ライン毎に各画素から読み出した光信号をそれぞれ容量に一時的に保持し、光信号の読み出しの前または後に、各画素のノイズ信号をそれぞれ別の容量に一時的に保持し、各画素毎に光信号からノイズ信号を差分する。このように装置を構成し、制御することで、ノイズ成分を削減することができる。

特開２００３−１７６７７号公報

しかしながら、光信号を保持する容量とノイズ出力を保持する容量にそれぞればらつきがあることから、更に精度良くノイズ成分を削減するために、クランプ回路を用いる構成も知られている。クランプ回路を用いた構成では、ローリング電子シャッタの場合、先ず、読み出し行の各画素からノイズ信号を読み出してクランプ回路における基準レベルとすると共に、ノイズ信号を読み出して容量に保持する。その後、光信号を読み出して、クランプ回路によってクランピングしてから容量に保持する。従って、ノイズ信号で光信号をクランピングすることになり（光信号−ノイズ信号）をクランプ回路から得ることができる。

これに対し、一括電子シャッタ及びローリング転送電子シャッタの場合、光電荷をＰＤからＦＤに転送する動作が読み出し動作の前に行われる。そのため、読み出し動作時にノイズ信号をクランプした後、ノイズ信号を読み出し、光信号を読み出すといった順序での動作ができない。最初にＦＤを読み出すときには光電荷が既にＦＤに転送されているので、先に読み出したＦＤの電位がクランプ回路における基準レベルとなってしまう。その後、ノイズ信号を読み出した場合、クランプ回路からの出力は、（ノイズ信号−光信号）となってしまい、クランプ回路の後段で用いられるアンプの動作範囲から外れてしまうという問題があった。

本発明は上記問題点を鑑みてなされたものであり、撮像装置においてクランプ回路を用いる場合に、クランピング後の出力レベルの範囲を所定の範囲内に抑えることを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の撮像装置は、それぞれが、受光量に応じて光電変換信号を出力する光電変換部を含む、２次元に配置された複数の画素と、クランプ回路を含む出力部と、前記クランプ回路に基準信号を出力する信号供給回路と、前記画素からの前記光電変換信号を前記クランプ回路へ出力するのに先だって、前記基準信号をクランプし、その後、前記光電変換信号を前記クランプ回路に出力し、その後、前記画素のノイズ信号を前記クランプ回路へ出力するように制御する制御部と前記クランプ回路によって処理された前記光電変換信号と前記ノイズ信号との差分処理を行う差分回路とを有する。

また、それぞれが、受光量に応じて光電変換信号を出力する光電変換部を含む、２次元に配置された複数の画素と、クランプ回路を含む出力部と、前記クランプ回路に基準信号を出力する信号供給回路とを有する撮像装置の本発明の制御方法は、前記画素からの前記光電変換信号を前記クランプ回路へ出力するのに先だって、前記基準信号をクランプするステップと、前記光電変換信号を前記クランプ回路に出力するステップと、前記ノイズ信号を前記クランプ回路へ出力するステップと、前記クランプ回路によって処理された前記光電変換信号と前記ノイズ信号との差分処理を行うステップとを有する。

また、別の構成によれば、第１の走査方法と第２の走査方法とを含む複数の走査方法により駆動可能な本発明の撮像装置は、それぞれが、受光量に応じて電荷信号を出力する光電変換部を含む、２次元に配置された複数の画素と、クランプ回路を含む出力部と、前記クランプ回路に基準信号を出力する信号供給回路と、前記第１の走査方法では、前記画素からのノイズ信号を前記クランプ回路でクランプし、その後前記光電変換信号を前記クランプ回路に出力するように制御し、前記第２の走査方法では、前記画素からの前記光電変換信号を前記クランプ回路へ出力するのに先だって、前記基準信号をクランプし、その後、前記光電変換信号を前記クランプ回路に出力し、その後、前記画素のノイズ信号を前記クランプ回路へ出力するように制御する制御部と、前記クランプ回路によって処理された前記光電変換信号と前記ノイズ信号との差分処理を行う差分回路とを有する。

また、別の構成によれば、本発明の撮像装置は、それぞれが、受光量に応じて電荷信号を出力する光電変換部と、光電変換部からの信号を保持する保持部と、前記光電変換部の信号を前記保持部に転送する転送スイッチとを含む、２次元に配置された複数の画素と、メカシャッタと、静止画撮影の際に第１の走査を行い、動画撮影の際に第２の走査を行うように駆動を切り替える切り替え部とを有し、前記第１の走査では、前記メカシャッタが閉じられた後に、前記光電変換部の光電変換信号を前記保持部に転送し、その後、前記画素から前記光電変換信号を読み出す動作を、予め設定された数のライン毎に順次行い、前記第２の走査では、前記複数の画素の各々に含まれる光電変換部の光電変換信号を前記保持部に一括して転送し、その後、予め設定された数のライン毎に前記光電変換信号を前記画素から読み出すように順次駆動する、若しくは、前記複数の画素の各々に含まれる光電変換部の光電変換信号を予め設定された数の所定ライン毎に前記保持部に第１周期で順次転送し、その後予め設定された数のライン毎に前記光電変換信号を前記画素から第２周期で順次読み出す。

本発明によれば、撮像装置においてクランプ回路を用いる場合に、クランピング後の出力レベルの範囲を所定の範囲内に抑えることが可能となる。

以下、添付図面を参照して本発明を実施するための最良の形態を詳細に説明する。

図１は、本実施の形態における撮像装置の概略構成を示すブロック図である。

図１において、２０１は、被写体の光学像を撮像素子２０５に結像させるレンズ部であり、レンズ駆動装置２０２によってズーム制御、フォーカス制御、絞り制御などが行われる。２０３はシャッタであり、シャッタ駆動装置２０４によって制御される。２０５は、レンズ部２０１により結像された被写体光学像を、電気的な画像信号に変換する撮像素子である。２０６は、撮像素子２０５より出力される画像信号の増幅や、アナログ−ディジタル変換を行うＡ／Ｄ変換、Ａ／Ｄ変換後の画像データに各種の補正を行う機能と、データを圧縮する機能とを有する撮像信号処理回路である。２０７は、固体撮像素子２０５及び撮像信号処理回路２０６に各種タイミング信号を出力するタイミング発生部である。２０８は、画像データを一時的に記憶するためのメモリ部である。２０９は、各種演算と撮像装置全体を制御する制御回路である。２１０は、記録媒体に記録または読み出しを行うためのインターフェースである（以下、「記録媒体制御Ｉ／Ｆ部」と呼ぶ）。２１１は、画像データの記録または読み出しを行うための半導体メモリ等の着脱可能な記録媒体である。２１２は、外部コンピュータ等と通信するためのインターフェースである。２１３は測光装置であり、測光を行って被写体の明るさを判断する。制御回路２０９は、その結果に応じてレンズ駆動装置２０２を介してレンズ部２０１の絞りを制御する。また、２１４は測距装置であり、測距を行って焦点状態を検出する。制御回路２０９は、検出された焦点状態に応じてレンズ駆動装置２０２を介してレンズ部２０１のフォーカスレンズを制御する。

図２は、本実施の形態における撮像装置に用いられる撮像素子の概略構成を示す模式図である。

図２において、８０１は単位画素であり、複数の単位画素８０１が行列状に配置されている。８０２は、被写体像の光を電荷に変換するフォトダイオード（ＰＤ）である。８０４は、信号電荷を一時的に蓄積しておく領域（フローティングディフュージョン部、以下、「ＦＤ」と記す。）である。８０３は、転送パルスφＴＸによりＰＤ８０２で発生した電荷をＦＤ８０４に転送する転送スイッチである。８０５は、ソースフォロアとして機能する増幅ＭＯＳアンプである。８０６は、選択パルスφＳＥＬにより単位画るダミー画素選択スイッチ９０５がオンになったときに、信号出力線８０８に信号素８０１を選択する選択スイッチである。８０７は、リセットパルスφＲＥＳによりＦＤ８０４を所定の電位（Ｖ_ＤＤ）にリセットするリセットスイッチである。ＦＤ８０４、増幅ＭＯＳアンプ８０５及び後述する定電流源８０９によりフローティングディフュージョンアンプが構成される。選択スイッチ８０６で選択された単位画素８０１の電荷が、電圧に変換され出力線８０８を経て読み出し回路８１１に出力される。８０９は、増幅ＭＯＳアンプ８０５の負荷となる定電流源である。８１４はダミー画素であり、後述するダミー画素選択スイッチ９０５がオンになったときに、信号線８０８に信号を出力する。

水平走査回路８１０の駆動により、読み出し回路８１１から各画素８０１の出力が出力線８１２に出力される。また、８１３は、スイッチ８０３，８０６，８０７にそれぞれ駆動信号φＴＸ、φＳＥＬ、φＲＥＳを供給することで、各画素の駆動を制御する垂直走査回路である。なお、φＴＸ、φＲＥＳ、φＳＥＬのそれぞれにおいて、垂直走査回路８１３により走査選択されたｎ行目の走査ラインに供給する駆動信号をφＴＸｎ、φＲＥＳｎ、φＳＥＬｎとする。

図３（ａ）は、ダミー画素８１４の概略構成例を示す模式図である。

図３（ａ）において、９０１は、被写体像の光を信号電荷に変換するＰＤである。９０３はＦＤであり、９０２は、転送パルスφＴＸによりＰＤ９０１で発生した信号電荷をＦＤ９０３に転送する転送スイッチである。９０４はソースフォロアとして機能する増幅ＭＯＳアンプである。９０５は、選択パルスφＳＥＬＤによって当該ダミー画素を選択する選択スイッチである。９０６は、リセットパルスφＲＥＳＤによってＦＤ９０３を所定の電位（Ｖ_ＤＤ）にリセットするリセットスイッチである。ＦＤ９０３、増幅ＭＯＳアンプ９０４及び前述の定電流源８０９によりフローティングディフュージョンアンプが構成される。選択パルスφＳＥＬＤがハイなると、選択スイッチ９０５がオンとなってダミー画素が選択され、ダミー画素のＦＤ９０３の電荷が電圧に変換されて、信号出力線８０８を経て読み出し回路８１１に出力される。なお、ダミー画素は、クランプ基準を決定するための画素であるため、ダミー画素から光電荷の出力が無いように転送スイッチ９０２を常にオフにしておく。もしくは、転送スイッチ９０２の開閉をしても、光電荷の出力が無いよう遮光しておくことでもダミー信号を得ることができる。

図３（ａ）のダミー画素の代わりに、図３（ｂ）のダミー画素を用いても良い。このダミー画素では、通常の画素の中で大きな面積を占めるＰＤを省略する構成を採る。この構成により、ダミー画素の占有面積を低減させることが可能である。

また、図３（ａ）のダミー画素の代わりに、図３（ｃ）のダミー画素を用いても良い。このダミー画素では、常に一定電圧がＦＤ９０３に印加される構成を採る。この構成により、転送スイッチやリセットスイッチの面積を低減することが可能である。

図４は、図１における読み出し回路８１１の概略構成の一例を示す模式図であり、各列毎に備えられている。ただし、図４に示す構成の内、差動アンプ６１２は各列毎ではなく、読み出し回路８１１に１つ設けられ、すべての列により共有される。

この図４に示す読み出し回路８１１は、行列状に配置された単位画素８０１の列毎にクランプ回路及びアンプを有し、後段の差動アンプ６１２の動作範囲に適したレベルにクランプする。８０８は図２と同様に信号出力線、８０９は図２と同様に定電流源である。６０３はクランプ容量である。６０５はクランプスイッチ、６０４は増幅アンプである。６０６は、パルスφＣＳにより、画素８０１のＰＤ８０２が変換した電荷に対応する光信号を選択して転送するスイッチである。６０７は、光信号に比例した電圧を保持しておく容量である。６０８は、パルスφＣＮにより各画素のリセットレベル（ノイズ信号）を選択するスイッチである。６０９は、リセットレベル（ノイズ信号）を保持しておく容量である。６１０、６１１は、水平走査回路８１０より与えられるパルスφＣＨにより、最終段の差動アンプ６１２に出力を転送するスイッチである。６１３は、アンプ６０４におけるゲインを変更するスイッチである。６１４、６１５は配線に寄生する容量を示している。

上記図２乃至図４に示す構成を有する撮像素子は、ローリング電子シャッタ、図１３に示すような一括電子シャッタ、図１４に示すようなローリング転送電子シャッタのいずれの方式でも駆動することが可能である。

図５は、本実施の形態における撮像装置の第１の読み出しシーケンスを示すタイミングチャートである。この第１の読み出しシーケンスは、ローリング電子シャッタで駆動を行っている場合に行われるもので、制御回路２０９により実行される。ここでは、１ライン分の読み出し動作を説明する。

まず、時刻ｔ７１にφＳＥＬ及びφＣｌａｍｐをハイにし、クランプスイッチ６０５、選択スイッチ８０６をオンにして、ＦＤ８０４の電位を読み出し（ノイズ信号）、クランプ容量６０３の基準レベルにする。このとき、ＦＤ８０４には、ＰＤ８０２からの光電荷はまだ転送されておらず、リセット電位にリセットされた状態である。その後時刻ｔ７２にφＣｌａｍｐをローにしてクランプスイッチ６０５をオフにし、時刻ｔ７３でφＣＮをハイにしてスイッチ６０８をオンにして、アンプ６０４で増幅されたノイズ信号を容量６０９に保持する。

次に、時刻ｔ７４でφＴＸをハイにして転送スイッチ８０３をオンにし、ＰＤ８０２の光電荷をＦＤ８０４に転送する。その後、時刻ｔ７５でφＣＳをハイにしてスイッチ６０６をオンにすることにより、クランプ回路によりノイズ信号でクランピングされた光信号（光信号−ノイズ信号）がアンプ６０４で増幅されて、容量６０７に保持される。光信号が容量６０７に保持されると、時刻ｔ７６でφＳＥＬをローにする。

その後、時刻ｔ７７から読み出し回路８１１のφＣＨを各列毎に順次ハイにしてスイッチ６１０，６１１を順次オンすることにより、クランピングされた光信号からノイズ信号が差動アンプ６１２で引き算される。これにより、ノイズの少ない光信号が出力される。

このように、クランプ回路を用いて第１の読み出しシーケンスで信号の読み出しを行うことにより、クランプ回路を用いない場合と比較して、ノイズをより効果的に削減することが可能になる。

図６は、本実施の形態における撮像装置の第２の読み出しシーケンスを示すタイミングチャートである。この第２の読み出しシーケンスは、図１３の一括電子シャッタまたは図１４のローリング転送電子シャッタで駆動を行っている場合に、φＳＥＬにパルスが印可されている間に行われるもので、制御回路２０９により実行される。ここでは、１ライン分の読み出し動作を説明する。

上述したように、一括電子シャッタ及びローリング転送電子シャッタでは、所定時間電荷蓄積後、すべての画素のＰＤ８０２の光電荷をＦＤ８０４に同時または高速に転送してから、転送された光電荷をライン毎に順次読み出す。従って、上述した第１の読み出しシーケンスのように、光信号の読み出しに先だってノイズ信号を読み出すことができない。また、光信号の読み出しとノイズ信号の読み出し順を逆にすると、クランプ回路により光信号でノイズ信号をクランピングすることになってしまい、ノイズ信号−光信号が出力されてしまう。この場合、後段のアンプ６０４の動作領域が十分に広くない限り、アンプ６０４の動作領域から外れてしまう。動作領域から外れないようにするためには、ほぼ、（最大光信号）〜（−最大光信号）の、極性が逆になる動作領域をアンプ６０４に持たせないかければならず、撮像装置の低コスト化、小型化を鑑みると現実的ではない。従って、以下に説明する第２の読み出しシーケンスで読み出しを行うことにより、アンプ６０４の動作領域を広げることなく、図４に示す読み出し回路を用いて一括電子シャッタ及びローリング転送電子シャッタ駆動時にも画素信号を読み出すことが可能になる。なお、ここでは、ダミー画素８１４が図３（ａ）または図３（ｂ）の構成を有するものとして説明する。

読み出し動作が開始されると、まず、蓄積終了後の時刻ｔ１００１から時刻ｔ１００２の間にφＣＬＡＭＰ、φＲＥＳＤ、φＳＥＬＤにパルスが印加され、ダミー画素８１４のリセットレベルがクランプ回路の基準レベルとなる。

次に、時刻ｔ１００３で単位画素８０１のＦＤ８０４の電位を読み出すラインがφＳＥＬにより選択され、時刻ｔ１００４から時刻ｔ１００５の間にφＣＳにパルスが印加される。この間に、ＦＤ８０４に転送されていた光電荷が画素８０１からソースフォロアを介して出力され、クランプ回路により基準電位でクランピングされ、アンプ６０４で増幅された後、容量６０７に一時的に保持される。

次に、時刻ｔ１００６から時刻ｔ１００７の間にφＲＥＳとφＣＮにパルスが印加されることで、選択行の画素８０１からＦＤ８０４のリセット電位がノイズ信号として容量６０９に一時的に保持される。

その後、時刻ｔ１００８でφＳＥＬをローにし、時刻ｔ１００９から列毎にφＣＨを各列毎に順次ハイにしてスイッチ６１０，６１１を順次オンすることによりクランピングされた光信号からノイズ信号が差動アンプ６１２で引き算される。これにより、ノイズの少ない光信号が出力される。

上述したように、一括電子シャッタ及びローリング転送電子シャッタでは、ダミー画素８１４のリセット信号を基準レベルとしてクランプすることにより、光電荷を読み出した時にクランプ回路は光信号−基準レベルを出力する。このため、アンプ６０４の動作領域内にクランプ回路からの信号値を納めることが可能となる。

なお、ダミー画素８１４が図３（ｃ）に示すような構成を有する場合、ｔ１００１からｔ１００２の間にφＲＥＳＤを供給する必要が無い。それ以外は、図６と同様のタイミングで撮像素子を駆動することができる。

第２の読み出しシーケンスでは、同じ画素８０１の光信号とリセット信号を容量６０７及び６０９にそれぞれ一時的に保持し、引き算して最終的な信号として出力されるので、回路の持つ固定パターンノイズの除去には効果的である。しかしながら、光信号とノイズ信号とを読み出す間にリセット動作を行い、スイッチ８０７を開閉するために、光信号とノイズ信号ではリセットスイッチ８０７のリセットノイズが信号に加わってしまう。

そこで、本実施の形態では、動画モード時には一括電子シャッタ又はローリング転送電子シャッタ動作を行い、第２の読み出しシーケンスで読み出す。一方、高画質が要求される静止画モード時には、ローリング電子シャッタ動作を行い、第１の読み出しシーケンスで読み出す。このように、動画モード時と静止画モード時とで読み出しシーケンスを使い分けることによって、動画モード時ではメカニカルシャッタを使用せず、歪みの少ない画像を得ることができる。また、静止画モード時ではリセットスイッチ８０７のリセットノイズも除去した、ＳＮに優れた画像を得ることができる。なお、静止画モード時にはメカニカルシャッタを併用することにより、露光時間を変えることも可能である。

上記では、撮像素子内にダミー画素を設け、ダミー画素の信号を基準信号として、クランプ回路で、その基準信号をクランプする構成を説明した。しかしながら、本発明では、それに限らず、クランプ回路に基準信号を出力する信号供給回路（ダミー画素に係らず、例えば、撮像素子外部から供給された電圧を、ダミー画素で発生する電圧と同じ電圧にして、出力する電圧変換回路等）を持っていれば良い。

続いて、図１の撮像装置における撮影時の動作について説明する。

メイン電源がオンされると、コントロール系の電源がオンし、更に撮像信号処理回路２０６などの撮像系回路の電源がオンされる。

使用者により静止画モードが選択されている場合、図示しないレリーズボタンが押されると、露光量を制御するために、制御回路２０６は測光装置２１３で測光を行って明るさを判断する。そして、その結果に応じてレンズ駆動装置２０２はレンズ部２０１の絞りを制御する。

次に、測距装置２１４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制御回路２０９で行う。その後、レンズ駆動装置２０２によりレンズ部２０１を駆動して測距を行い、合焦か否かを判断する。合焦していないと判断した時は、再びレンズ部２０１を駆動し、測距を行う。

そして、合焦が確認された後に撮影動作が開始する。

次に、静止画撮影時の撮像素子の走査方法についてを図７に基づいて説明する。以下の撮像素子の走査は、制御回路２０９により統括されている。上述したように、静止画の撮影時には、ローリング電子シャッタによる駆動を行う。

まず、撮像素子２０５のリセットが開始される。リセットが開始されると、リセット走査が撮像素子２０５の各ライン毎に順次行われる。その後、一定の蓄積時間Ｔ１１０１後に、第１の読み出しシーケンスによって読み出し動作が行われる。

次に、ローリング電子シャッタによる駆動であって、メカニカルシャッタを利用した場合の走査方法について図８に基づいて説明する。

まず、撮像素子２０５のリセットが開始される。リセットが開始されると、リセット走査が撮像素子２０５の各ライン毎に順次行われる。続いて、メカニカルシャッタが操作されて、撮像素子２０５の露光を開始する。蓄積時間Ｔ１２０１後にメカニカルシャッタにより撮像素子２０５の露光終了の操作が行われる。その後、読み出し動作が第１の読み出しシーケンスによって行われる。この場合には撮像素子２０５における電荷蓄積時間はＴ１２０２であるが、撮像素子２０５の露光時間はメカニカルシャッタによってＴ１２０１に規定される。このようにメカニカルシャッタを使用することで、画面の上部と下部の撮影タイミングの差を小さくすることが可能となる。

上述した図７または図８に示す走査により撮像素子２０５から出力された信号は、撮影信号処理回路２０６で増幅、Ａ／Ｄ変換などの処理を施され、制御回路２０９によりメモリ部２０８に書き込まれる。

メモリ部２０８に蓄積されたデータは、制御回路２０９の制御により記録媒体制御Ｉ／Ｆ部２１０を通り半導体メモリ等の着脱可能な記録媒体２１１に記録される。

また、外部Ｉ／Ｆ部２１２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。

一方、使用者により動画モードが選択されている場合、図示しないレリーズボタンが押されると、露光量を制御するために、制御回路２０９は測光装置２１３で測光を行って明るさを判断する。そして、その結果に応じてレンズ駆動装置２０２はレンズ部２０１の絞りを制御する。

次に、測距装置２１４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制御回路２０９で行う。その後、レンズ駆動装置２０２によりレンズ部２０１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、再びレンズ部２０１を駆動し測距を行う。

そして、合焦が確認された後に撮影動作が開始する。なお、露光量の制御と焦点調節は、動画の撮影終了が指示されるまで、所定時間間隔で行われる。

次に、動画撮時の撮像素子の走査方法について図９及び図１０に基づいて説明する。

図９はローリング転送電子シャッタによる駆動を説明する図である。

まず、撮像素子２０５のリセットが開始される。リセットが開始されると、リセット走査が撮像素子２０５の各ライン毎に順次行われる。リセット走査後、一定の蓄積時間Ｔ１３０１後に信号電荷の転送動作が撮像素子２０５の各ライン毎に順次行われる。その後、読み出し動作が第２の読み出しシーケンスによって行われる。

図１０は、一括電子シャッタによる駆動を説明する図である。

まず、撮像素子２０５のリセットが開始される。リセットが開始されると、リセット動作が撮像素子２０５の全画素で同時に行われる。その後、一定の蓄積時間Ｔ１４０１後に全画素の信号電荷の転送動作が一斉に行われる。その後、読み出し動作が第２の読み出しシーケンスによって行われる。

上述した図９または図１０に示す走査により撮像素子２０５から出力された信号は、撮影信号処理回路２０６で増幅、Ａ／Ｄ変換などの処理を施され、制御回路２０９によりメモリ部２０８に書き込まれる。

メモリ部２０８に蓄積されたデータは、制御回路２０９の制御により記録媒体制御Ｉ／Ｆ部２１０を通り半導体メモリ等の着脱可能な記録媒体２１１に記録される。

また、外部Ｉ／Ｆ部２１２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。

以上説明したように本実施の形態によれば、一括電子シャッタ及びローリング転送電子シャッタにより撮像素子を駆動した場合であっても、ローリング電子シャッタで駆動した時と同じ極性の光信号をクランプ回路から出力することが可能となる。即ち、クランプ回路の出力範囲を限定することができるので、クランプ回路からの出力が、後段のアンプの動作範囲から外れてしまうことを防ぐことができる。またクランプ回路を用いることで、ローリング電子シャッタで駆動した場合には、より精度の高いノイズ除去を行うことができる。

なお、上記実施の形態では、ＰＤからＦＤへ光電荷を順次転送する場合や、ＦＤから光電荷を順次読み出す場合に、各行毎に転送及び読み出しを行う場合について説明した。しかしながら、本発明はこれに限るものではなく、読み出し回路８１１に相当する読み出し回路を複数有する場合には、複数行ずつ転送及び読み出しを行うことが可能である。

本発明の実施の形態における撮像装置の概略構成を示すブロック図である。 本発明の実施の形態における撮像装置の撮像素子の概略構成を示す模式図である。 本発明の実施の形態におけるダミー画素の概略構成例を示す模式図である。 図１に示す読み出し回路の概略構成の一例を示す模式図である。 本発明の実施の形態における撮像素子の第１の読み出しシーケンスを示すタイミングチャートである。 本発明の実施の形態における撮像素子の第２の読み出しシーケンスを示すタイミングチャートである。 本発明の実施の形態におけるローリング電子シャッタによる走査を示す概念図である。 本発明の実施の形態におけるメカニカルシャッタを利用したローリング電子シャッタによる走査を示す概念図である。 本発明の実施の形態におけるローリング転送電子シャッタによる走査を示す概念図である。 本発明の実施の形態における一括電子シャッタによる走査を示す概念図である。 従来のＸＹアドレス型の走査方法を採る撮像素子の構成を示す模式図である。 ローリング電子シャッタ動作時の駆動パルスと動作シーケンスを示す模式図である。 一括電子シャッタによる走査を説明する為の模式図である。 ローリング転送電子シャッタによる走査を説明する為の模式図である。

符号の説明

１０１、８０１ 単位画素
１０２、８０２ フォトダイオード
１０３、８０３ 転送スイッチ
１０４、８０４ 蓄積領域
１０５、８０５ 増幅ＭＯＳアンプ
１０６、８０６ 選択スイッチ
１０７、８０７ リセットスイッチ
１０８、８０８ 信号線
１０９、８０９ 定電流源
１１０、８１０ 水平走査回路
１１１、８１１ 読み出し回路
１１２、８１２ 出力線
１１３、８１３ 垂直走査回路
２０１ レンズ部
２０２ レンズ駆動装置
２０３ シャッタ
２０４ シャッタ駆動装置
２０５ 撮像素子
２０６ 撮像信号処理回路
２０７ タイミング発生部
２０８ メモリ部
２０９ 制御回路
２１０ 記録媒体制御Ｉ／Ｆ部
２１１ 記録媒体
２１２ 外部Ｉ／Ｆ部
２１３ 測光装置
２１４ 測距装置
６０３ クランプ容量
６０４ 増幅アンプ
６０５ クランプスイッチ
６０６ 光信号選択スイッチ
６０７ 光信号保持容量
６０８ リセットレベル選択スイッチ
６０９ リセットレベル保持容量
６１０、６１１ 列選択スイッチ
６１２ 差動アンプ
６１３ ゲイン切り替えスイッチ
６１４、６１５ 寄生容量
８１４ ダミー画素
９０１ ダミー画素フォトダイオード
９０２ ダミー画素転送スイッチ
９０３ ダミー画素蓄積領域
９０４ ダミー画素増幅ＭＯＳアンプ
９０５ ダミー画素選択スイッチ
９０６ ダミー画素リセットスイッチ

Claims (11)

1. それぞれが、受光量に応じて光電変換信号を出力する光電変換部を含む、２次元に配置された複数の画素と、
   クランプ回路を含む出力部と、
   前記クランプ回路に基準信号を出力する信号供給回路と、
   前記画素からの前記光電変換信号を前記クランプ回路へ出力するのに先だって、前記基準信号をクランプし、その後、前記光電変換信号を前記クランプ回路に出力し、その後、前記画素のノイズ信号を前記クランプ回路へ出力するように制御する制御部と、
   前記クランプ回路によって処理された前記光電変換信号と前記ノイズ信号との差分処理を行う差分回路と
   を有することを特徴とする撮像装置。
2. 前記出力部は、前記クランプ回路の出力を増幅して出力するアンプを更に有することを特徴とする請求項１に記載の撮像装置。
3. 前記複数の画素の各々は、さらに、光電変換部からの信号を保持する保持部と、前記光電変換部の信号を前記保持部に転送する転送スイッチとを有し、
   さらに、前記複数の画素の各々に含まれる光電変換部の光電変換信号を前記保持部に一括して転送し、その後、予め設定された数のライン毎に前記光電変換信号を前記画素から順次読み出すように駆動するか、若しくは、前記複数の画素の各々に含まれる光電変換部の光電変換信号を予め設定された数のライン毎に前記保持部に第１周期で順次転送し、その後、予め設定された数のライン毎に前記光電変換信号を前記画素から第２周期で順次読み出すように駆動する駆動部を有し、
   前記第１周期は、前記第２周期よりも短いことを特徴とする請求項１に記載の撮像装置。
4. 前記複数の画素の各々は、さらに、光電変換部からの信号を保持する保持部と、前記光電変換部の信号を前記保持部に転送する転送スイッチと、前記保持部の信号を増幅して出力する増幅部と、前記保持部をリセットするためのリセットスイッチとを有し、
   前記ノイズ信号は、前記保持部をリセットした時に、前記増幅部を介して読み出された信号であることを特徴とする請求項１に記載の撮像装置。
5. 第１の走査方法と第２の走査方法とを含む複数の走査方法により駆動可能な撮像装置であって、
   それぞれが、受光量に応じて電荷信号を出力する光電変換部を含む、２次元に配置された複数の画素と、
   クランプ回路を含む出力部と、
   前記クランプ回路に基準信号を出力する信号供給回路と、
   前記第１の走査方法では、前記画素からのノイズ信号を前記クランプ回路でクランプし、その後前記光電変換信号を前記クランプ回路に出力するように制御し、前記第２の走査方法では、前記画素からの前記光電変換信号を前記クランプ回路へ出力するのに先だって、前記基準信号をクランプし、その後、前記光電変換信号を前記クランプ回路に出力し、その後、前記画素のノイズ信号を前記クランプ回路へ出力するように制御する制御部と、
   前記クランプ回路によって処理された前記光電変換信号と前記ノイズ信号との差分処理を行う差分回路と
   を有することを特徴とする撮像装置。
6. 前記出力部は、前記クランプ回路の出力を増幅して出力するアンプを更に有することを特徴とする請求項５に記載の撮像装置。
7. 前記制御部は、静止画撮影を行う場合には前記第１の走査方法により、動画撮影を行う場合には、前記第２の走査方法により制御することを特徴とする請求項５に記載の撮像装置。
8. 前記複数の画素の各々は、さらに、光電変換部からの信号を保持する保持部と、前記光電変換部の信号を前記保持部に転送する転送スイッチとを有し、
   前記第１の走査方法では、前記光電変換部の光電変換信号を前記保持部に転送し、その後、前記画素から前記光電変換信号を読み出す動作を、予め設定された数のライン毎に順次行い、前記第２の走査方法では、前記複数の画素の各々に含まれる光電変換部の光電変換信号を前記保持部に一括して転送し、その後、予め設定された数のライン毎に前記光電変換信号を前記画素から順次読み出すように駆動するか、若しくは、前記複数の画素の各々に含まれる光電変換部の光電変換信号を予め設定された数の所定ライン毎に前記保持部に第１周期で順次転送し、その後予め設定された数のライン毎に前記光電変換信号を前記画素から第２周期で順次読み出すように駆動することを特徴とする請求項５に記載の撮像装置。
9. 前記複数の画素の各々は、さらに、光電変換部からの信号を保持する保持部と、前記光電変換部の信号を前記保持部に転送する転送スイッチと、前記保持部の信号を増幅して出力する増幅部と、前記保持部をリセットするためのリセットスイッチとを有し、
   前記ノイズ信号は、前記保持部をリセットした時に、前記増幅部を介して読み出された信号であることを特徴とする請求項５に記載の撮像装置。
10. それぞれが、受光量に応じて光電変換信号を出力する光電変換部を含む、２次元に配置された複数の画素と、クランプ回路を含む出力部と、前記クランプ回路に基準信号を出力する信号供給回路とを有する撮像装置の制御方法であって、
    前記画素からの前記光電変換信号を前記クランプ回路へ出力するのに先だって、前記基準信号をクランプするステップと、
    前記光電変換信号を前記クランプ回路に出力するステップと、
    前記ノイズ信号を前記クランプ回路へ出力するステップと、
    前記クランプ回路によって処理された前記光電変換信号と前記ノイズ信号との差分処理を行うステップと
    を有することを特徴とする制御方法。
11. それぞれが、受光量に応じて電荷信号を出力する光電変換部と、光電変換部からの信号を保持する保持部と、前記光電変換部の信号を前記保持部に転送する転送スイッチとを含む、２次元に配置された複数の画素と、
    メカシャッタと、
    静止画撮影の際に第１の走査を行い、動画撮影の際に第２の走査を行うように駆動を切り替える切り替え部とを有し、
    前記第１の走査では、前記メカシャッタが閉じられた後に、前記光電変換部の光電変換信号を前記保持部に転送し、その後、前記画素から前記光電変換信号を読み出す動作を、予め設定された数のライン毎に順次行い、前記第２の走査では、前記複数の画素の各々に含まれる光電変換部の光電変換信号を前記保持部に一括して転送し、その後、予め設定された数のライン毎に前記光電変換信号を前記画素から読み出すように順次駆動する、若しくは、前記複数の画素の各々に含まれる光電変換部の光電変換信号を予め設定された数の所定ライン毎に前記保持部に第１周期で順次転送し、その後予め設定された数のライン毎に前記光電変換信号を前記画素から第２周期で順次読み出すことを特徴とする撮像装置。

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