JP2007068122A - 撮像装置およびカメラシステム - Google Patents

Abstract

【課題】 アナログ加算の画素数を容易に増やすことができる撮像装置およびカメラシステムを提供する。
【解決手段】 入射光の複数の色成分に応じた電荷を色成分ごとに蓄積する画素１５Ｒ，１５Ｇ,１５Ｂを含み、各々の色成分の画素１５Ｒ，１５Ｇ,１５Ｂが二次元に配列された電荷蓄積部と、電荷蓄積部の各画素の電荷を同じ色成分どうしで一方向（垂直方向）に加算する第１加算部１２,１６Ｒ,１６Ｇ,１６Ｂ,１８と、第１加算部によって加算された後の電荷を一方向とは垂直な方向（水平方向）に転送して各色成分ごとに順に加算する第２加算部１２,１８,１９とを備える。
【選択図】 図１

Description

本発明は、複数の色成分の画像信号を出力する撮像装置およびカメラシステムに関する。

複数の色成分（例えば赤緑青の３つの色成分）の画像信号を出力する装置としてカラーＣＣＤ撮像装置が知られている。この撮像装置では、入射光の強度が弱いときに、複数の画素の電荷を同色どうしで垂直方向に加算して感度を上げ、Ｓ／Ｎの良い画像信号を得るようにしている（例えば特許文献１を参照）。このような撮像装置内での電荷の加算は、アナログ加算とも呼ばれ、装置外でのデジタル加算と比較してノイズに強い利点がある。
特開２００３−１８９１８３号公報

しかし、上記の撮像装置では、アナログ加算の画素数を増やすことが難しく、入射光の強度が微弱な場合には十分なＳ／Ｎを確保できないことがあった。
本発明の目的は、アナログ加算の画素数を容易に増やすことができる撮像装置およびカメラシステムを提供することにある。

本発明の撮像装置は、入射光の複数の色成分に応じた電荷を色成分ごとに蓄積する画素を含み、各々の色成分の前記画素が二次元に配列された電荷蓄積部と、前記電荷蓄積部の各画素の電荷を同じ色成分どうしで一方向に加算する第１加算部と、前記第１加算部によって加算された後の電荷を前記一方向とは垂直な方向に転送して各色成分ごとに順に加算する第２加算部とを備えたものである。

また、本発明の撮像装置は、入射光の複数の色成分に応じた電荷を色成分ごとに蓄積する複数の画素が色成分ごとに一方向に沿って隣接して配列された画素列を含み、各々の色成分の前記画素列が前記一方向とは垂直な方向に繰り返し配列された電荷蓄積部と、前記電荷蓄積部の各画素の電荷を前記一方向に転送して各画素列ごとに順に加算する第１加算部と、前記第１加算部によって加算された後の電荷を前記一方向とは垂直な方向に転送して各色成分ごとに順に加算する第２加算部とを備えたものである。

さらに、前記第２加算部は、第１の水平転送路を介して、前記第１加算部で加算された後の電荷を転送すると共に、該電荷を前記第１の水平転送路より容量の大きい第２の水平転送路またはバッファに蓄積させることで各色成分ごとに加算することが好ましい。
また、前記第２加算部は、第１の水平転送路を介して、前記第１加算部で加算された後の電荷を転送するものであり、前記電荷蓄積部の各画素の電荷を加算せずに垂直方向および水平方向に順に転送すると共に、該水平方向の転送を前記第１の水平転送路より容量の小さい第３の水平転送路を介して行う非加算転送部をさらに備えることが好ましい。

さらに、前記第１加算部と前記第２加算部とを用いて前記電荷蓄積部の各画素の電荷を読み出す加算モードと、前記非加算転送部を用いて前記電荷蓄積部の各画素の電荷を読み出す非加算モードとを切り換える制御手段をさらに備えることが好ましい。
本発明のカメラシステムは、上記の撮像装置を備えたものである。

本発明によれば、アナログ加算の画素数を容易に増やすことができる。

以下、本発明の実施形態について図面を用いて詳細に説明する。
（第１実施形態）
第１実施形態の撮像装置１０は、図１に示す通り、撮像素子１１と制御部１２とで構成される。撮像素子１１は、プログレッシブ型のカラーＣＣＤ撮像素子であり、制御部１２による読み出し制御に応じて、出力アンプ１３（または出力アンプ１４）から、赤色(Ｒ),緑色(Ｇ),青色(Ｂ)の３つの色成分の画像信号を出力する。出力アンプ１３,１４は例えばＦＤＡ(Floating Diffusion Amplifier)などである。

撮像素子１１には、出力アンプ１３,１４の他、入射光の赤色(Ｒ)成分に応じた電荷を蓄積する画素１５Ｒと、緑色(Ｇ)成分に応じた電荷を蓄積する画素１５Ｇと、青色(Ｂ)成分に応じた電荷を蓄積する画素１５Ｂとが設けられる。画素１５Ｒ,１５Ｇ,１５Ｂは、それぞれ、入射光からＲ成分,Ｇ成分,Ｂ成分を選択的に透過させる色フィルタを前面に備え、色フィルタからの透過光を光電変換して電荷を蓄積する。

また、各色成分の画素１５Ｒ,１５Ｇ,１５Ｂは、垂直方向および水平方向に２次元配列され、また、縦ストライプ状に配列されている。つまり、Ｒ成分の複数の画素１５Ｒが垂直方向に沿って隣接して配列された画素列と、Ｇ成分の複数の画素１５Ｇが同様に配列された画素列と、Ｂ成分の複数の画素１５Ｂからなる同様の画素列とが、水平方向に複数ずつ繰り返し配列されている。

さらに、撮像素子１１には、各色成分の画素列ごとに、垂直転送路１６Ｒ,１６Ｇ,１６Ｂが設けられる。垂直転送路１６Ｒは、複数の画素１５ＲからなるＲ成分の画素列に対応し、画素１５Ｒの電荷を垂直方向に転送する。同様に、垂直転送路１６Ｇ,１６Ｂは、それぞれＧ成分,Ｂ成分の画素列に対応し、画素１５Ｇ,１５Ｂの電荷を垂直方向に転送する。撮像素子１１はプログレッシブ型であるため、垂直転送路１６Ｒ,１６Ｇ,１６Ｂの転送セル６Ａの数は画素列の画素数と同じである。

また、撮像素子１１には、容量の異なる３本の水平転送路１７〜１９が設けられる。図１では、水平転送路１７〜１９の転送セル７Ａ〜９Ａの矩形サイズにより、模式的に、転送セル７Ａ〜９Ａの容量の大小を表している。最も容量の小さい水平転送路１７は垂直転送路１６Ｒ,１６Ｇ,１６Ｂの出力端の近傍に配置され、その隣に容量の少し大きい水平転送路１８が並べて配置され、その出力端８Ｂの隣に容量の最も大きい水平転送路１９が配置される。

最も容量の小さい水平転送路１７は、各画素１５Ｒ,１５Ｇ,１５Ｂの電荷をアナログ加算せずに読み出すときに用いられる（全画素モード）。水平転送路１７の転送セル７Ａの容量は、垂直転送路１６Ｒ,１６Ｇ,１６Ｂの転送セル６Ａの容量とほぼ同じである。この水平転送路１７の出力端には、出力アンプ１３が接続される。
一方、容量の大きい水平転送路１８,１９は、各画素１５Ｒ,１５Ｇ,１５Ｂの電荷をアナログ加算して読み出すときに用いられる（画素加算モード）。水平転送路１８は垂直方向のアナログ加算用であり、このアナログ加算の画素数をｎ個とするとき、転送セル８Ａの容量は転送セル６Ａの容量のほぼｎ倍となる。また、水平転送路１９は水平方向のアナログ加算用であり、このアナログ加算の画素数をｍ個とするとき、転送セル９Ａの容量は転送セル８Ａの容量のほぼｍ倍となる。この水平転送路１９の出力端には、出力アンプ１４が接続される。

［全画素モード］
第１実施形態の撮像装置１０における全画素モードでの読み出し動作を説明する。
制御部１２は、各画素１５Ｒ,１５Ｇ,１５Ｂにおける電荷の蓄積が終了すると、電荷を垂直転送路１６Ｒ,１６Ｇ,１６Ｂに読み出し（図２(ａ)）、１ライン分だけ垂直方向に転送する（図２(ｂ)）。このとき、水平転送路１７の転送セル７Ａには、各画素列の１つの画素１５Ｒ,１５Ｇ,１５Ｂにおける電荷が蓄積される。そして、この電荷は、水平転送路１７を介して水平方向に転送され（図２(ｃ)）、出力アンプ１３から出力される。

その後、同様の垂直転送と水平転送とを繰り返し、１ライン分ずつ出力アンプ１３から出力させることにより、各画素１５Ｒ,１５Ｇ,１５Ｂにおける電荷をアナログ加算せずに順に読み出すことができる。このような全画素モードによって読み出された画像信号は、撮像素子１１の本来の画素数に応じた高解像度なものである。全画素モードは、入射光の強度が強く、電荷のアナログ加算を行わなくても十分なＳ／Ｎを確保できる場合に用いることが好ましい。

［画素加算モード］
第１実施形態の撮像装置１０における画素加算モードでの読み出し動作を説明する。ここでは、垂直方向のアナログ加算の画素数をｎ個とし、水平方向のアナログ加算の画素数をｍ個とする。
制御部１２は、各画素１５Ｒ,１５Ｇ,１５Ｂにおける電荷の蓄積が終了すると、電荷を垂直転送路１６Ｒ,１６Ｇ,１６Ｂに読み出し（図２(ａ)）、ｎライン分だけ連続して垂直方向に転送する（図３(ａ)）。このとき、水平転送路１８の転送セル８Ａには、各画素列の隣接するｎ個の画素１５Ｒ,１５Ｇ,１５Ｂにおける電荷が順に蓄積されていく。このようにして各画素列ごとにｎ画素分の電荷が順に加算され、各色成分ごとに垂直方向のアナログ加算（ｎ画素分）が行われる。

そして、水平転送路１８における垂直方向のアナログ加算が終わると、水平転送路１８の各転送セル８Ａに蓄積されたｎ画素分の電荷は、水平転送路１８を介して水平方向に転送され（図３(ｂ)）、水平転送路１８の出力端８Ｂに到達すると、出力端８Ｂから大容量の水平転送路１９に垂直転送される（図４(ａ)）。出力端８Ｂの各転送セル８Ａと水平転送路１９の各転送セル９Ａとは各色成分ごとに予め対応づけられている。

出力端８Ｂの各転送セル８Ａから水平転送路１９の各転送セル９Ａへ、各色成分ごとにｎ画素分の電荷が１回垂直転送されると、再び、水平転送路１８における水平転送が行われて、次のｎ画素分の電荷が出力端８Ｂに到達する。そして上記と同様に、出力端８Ｂの各転送セル８Ａから水平転送路１９の各転送セル９Ａへ、各色成分ごとにｎ画素分の電荷が垂直転送される（図４(ｂ)）。

このような水平転送路１８における水平転送と出力端８Ｂから水平転送路１９への垂直転送とは、交互に繰り返してｍ回行われる。その結果、水平転送路１９の各転送セル９Ａには、各色成分ごとに、ｍ回分の電荷（つまりｎ×ｍ画素分の電荷）が順に蓄積されていく。このようにして各色成分ごとにｍ回分の電荷が順に加算され、各色成分ごとに水平方向のアナログ加算（ｎ×ｍ画素分）が行われる。

そして、水平転送路１９における水平方向のアナログ加算が終わると、水平転送路１９の各転送セル９Ａに蓄積された各色成分のｎ×ｍ画素分の電荷は、水平転送路１９を介して水平方向に転送され、出力アンプ１４から出力される（図４(ｂ)）。
本実施形態では、水平転送路１８の出力端８Ｂの各転送セル８Ａと水平転送路１９の各転送セル９Ａとが各色成分ごとに予め対応づけられているため、出力端８Ｂから水平転送路１９への垂直転送時に、各色成分を分解してアナログ加算することができる。

その後、同様の垂直転送と水平転送と水平転送路１９への転送とを繰り返し、ｎライン分ずつ出力アンプ１４から出力させることにより、各画素１５Ｒ,１５Ｇ,１５Ｂにおける電荷をｎ×ｍ画素単位で各色成分ごとにアナログ加算しつつ順に読み出すことができる。このような画素加算モードによって読み出された画像信号は、上記の全画素モードと比較して画素数が少なく、応答性能が高いものである。画素加算モードは、入射光の強度が弱く、電荷のアナログ加算を行うことによって十分なＳ／Ｎを確保する場合に用いることが好ましい。

上記のように、第１実施形態の撮像装置１０では、各画素１５Ｒ,１５Ｇ,１５Ｂの電荷を各色成分ごとにアナログ加算して読み出す際（画素加算モード）、垂直方向のアナログ加算（ｎ画素分）だけでなく、水平方向のアナログ加算（ｍ画素分）も行う。このため、アナログ加算の画素数を容易に増やすことができる。したがって、入射光の強度が微弱な場合でも、ｎ×ｍ画素分のアナログ加算によって感度を上げ、Ｓ／Ｎの良い画像信号を各色成分ごとに得ることができる。

さらに、第１実施形態の撮像装置１０では、各画素１５Ｒ,１５Ｇ,１５Ｂを色成分ごとに縦ストライプ状に配列し、各垂直転送路１６Ｒ,１６Ｇ,１６Ｂから水平転送路１８の各転送セル８Ａへの垂直転送の繰り返しによって、水平転送路１８上で垂直方向のアナログ加算を行う。このため、アナログ加算の画素数を垂直方向に関してさらに増やすことができる。

また、第１実施形態の撮像装置１０では、水平転送用の水平転送路１８とは別に、水平方向のアナログ加算用の水平転送路１９を設け、水平転送路１８の出力端８Ｂの各転送セル８Ａから水平転送路１９の各転送セル９Ａへの垂直転送の繰り返しによって、水平転送路１９上で水平方向のアナログ加算を行う。このため、アナログ加算の画素数を水平方向に関してさらに増やすことができる。

第１実施形態の撮像装置１０によれば、各画素１５Ｒ,１５Ｇ,１５Ｂの電荷のアナログ加算の画素数を容易に増やすことができるため、例えば、５×５＝２５画素といった大規模な画素数でのアナログ加算も可能となる。大規模なアナログ加算機能を有する第１実施形態の撮像装置１０は、例えば、カメラシステムのサブイメージセンサとして用いることが考えられる。この場合、撮像装置１０を画素加算モードに設定すれば、高感度で応答速度が早く且つダイナミックレンジに優れた測光を行うことができ、全画素モードに設定すれば、高解像度な撮影前画像を取り込むことができる。

さらに、第１実施形態の撮像装置１０では、全画素モードで読み出す際に適した小容量の水平転送路１７と、画素加算モードで読み出す際に適した大容量の水平転送路１８とを、個別に設けている。このため、垂直方向のアナログ加算の画素数を大幅に増やしても飽和することがなく、加算時に良好な出力を得ることができる（画素加算モード）。また、非加算時にも（全画素モード）、良好な出力を得ることができる。したがって、全画素モードでの解像度を優先した画像信号の取り込みと、画素加算モードでの感度と応答速度とを優先した画像信号の取り込みとを、良好に使い分けることができる。

また、第１実施形態の撮像装置１０では、加算用の出力アンプ１４を各色成分で共用するため、シンプルな構成となる。さらに、出力アンプ１４の後段に配置される加算用のＡ／Ｄ変換器なども各色成分で共用することになり、この加算用のＡ／Ｄ変換器などが１系統で済むという利点もある。
ここで、第１実施形態の撮像装置１０の撮像素子１１の画素サイズをＱＶＧＡ（３２１×２４０画素）とし、その全画素モードと画素加算モードの特性を表１に示す。画素加算モードでのアナログ加算の画素数は、垂直方向の画素数ｎと水平方向の画素数ｍが、共に１０個であるとする。

表１から分かるように、画素加算モードでの画素サイズは、全画素モードでの画素サイズの１００倍となる。また、電荷のアナログ加算はロスが少ないため、実効感度は、概ね画素サイズに比例して約１００倍となる。このため、入射光の強度が微弱なとき（暗時）の検出限界を向上させることができ、入射光の強度が強いとき（明時）の蓄積時間を１／１００に短縮することができる。

さらに、画素加算モードでは、全画素モードと比較して、内部での総転送回数と出力データ数が少ないため、読み出し時間を少なくとも１５％に短縮することができる。読み出し時間は、総転送回数とデータレートとの積によって決まる。
総転送回数に関して比較すると、全画素モードでは次式(１)のように総画素数（７６８００）と略等しく、画素加算モードでは次式(２)のように全画素モードの約１／７程度となる。式(１),(２)の括弧<>内の数字１６〜１９は上記の各転送路に対応する。

全画素モードでの総転送回数 ≒垂直転送回数<１６→１７>×水平転送回数<１７>
＝２４０×３２０＝７６８００ …(１)
画素加算モードでの総転送回数≒垂直転送回数<１６→１８>＋水平転送回数<１８>
＋垂直転送回数<１８→１９>＋水平転送回数<１９>
＝２４０＋(２４０／１０)×３２０＋[(２４０／１０)×３２０]／３
＋３２×２４＝１１２４８ …(２)
式(２)の計算は総転送回数の目安であり、各々の垂直転送と水平転送が同時に行われないと仮定している。式(２)は、垂直転送<１６→１８>の１０回に１回だけ水平転送<１８>が行われ、その３回に１回だけ垂直転送<１８→１９>が行われ、加算後の総画素数に応じた回数だけ水平転送<１９>が行われる状況を、単純和で計算したものである。この計算によれば、画素加算モードでの読み出し時間は、全画素モードの１５％となる。また、実際には、水平転送<１８>と垂直転送<１８→１９>と水平転送<１９>とが並行して行われるため、これを加味して計算すると、画素加算モードでの読み出し時間はさらに短縮されて、全画素モードの約１０％となる。

（第２実施形態）
第２実施形態の撮像装置２０は、図５に示す通り、上記した第１実施形態の撮像装置１０の撮像素子１１に代えて、撮像素子２１を設けたものである。撮像素子２１には、上記と同様の画素１５Ｒ,１５Ｇ,１５Ｂと垂直転送路１６Ｒ,１６Ｇ,１６Ｂと水平転送路１７と出力アンプ１３が設けられる他、垂直画素加算用の水平転送路２２と、色分解用の垂直転送路２３と、水平画素加算用のバッファ２４Ｒ,２４Ｇ,２４Ｂと、出力アンプ２５Ｒ,２５Ｇ,２５Ｂとが設けられる。

第２実施形態の撮像装置２０では、水平転送路２２と垂直転送路２３とバッファ２４Ｒ,２４Ｇ,２４Ｂと出力アンプ２５Ｒ,２５Ｇ,２５Ｂとを用いて、画素加算モードでの電荷の読み出しが行われる。水平転送路２２と垂直転送路２３の各転送セルの容量は、上記の水平転送路１８（図１）の各転送セル８Ａと同じであり、全画素モードで使用される水平転送路１７の各転送セル７Ａより大きい。また、バッファ２４Ｒ,２４Ｇ,２４Ｂの容量は、上記の水平転送路１９の各転送セル９Ａと同じである。

水平転送路２２の出力端２Ｂの水平方向の隣には、Ｒ成分用のバッファ２４Ｒが配置され、このバッファ２４Ｒには出力アンプ２５Ｒが接続される。さらに、水平転送路２２の出力端２Ｂの垂直方向の隣には、垂直転送路２３が配置される。垂直転送路２３は２つの転送セル３Ａ,３Ｂを有する。このうち、出力端２Ｂ側の転送セル３Ａの水平方向の隣には、Ｇ成分用のバッファ２５Ｇが配置され、これには出力アンプ２５Ｇが接続される。また、残りの転送セル３Ｂの水平方向の隣には、Ｂ成分用のバッファ２５Ｂが配置され、これには出力アンプ２５Ｂが接続される。

［画素加算モード］
第２実施形態の撮像装置２０における画素加算モードでの読み出し動作を説明する。
垂直方向のアナログ加算（ｎ画素分）については、上記した第１実施形態と同じであるため、その説明を省略する。垂直方向のアナログ加算が終わった時点で、水平転送路２２の各転送セルには、ｎ画素分の電荷が蓄積される（図３(ａ)参照）。そして、このｎ画素分の電荷は、水平転送路２２を介して水平方向に転送される（図３(ｂ)参照）。

撮像装置２０の制御部１２は、水平転送路２２の出力端２Ｂにｎ画素分の電荷が到達すると（図６(ａ)）、まず、これをＲ成分用のバッファ２４Ｒに転送する（図６(ｂ)）。そして次の電荷（ｎ画素分）が出力端２Ｂに到達すると（図６(ｃ)）、今度は、これを垂直転送路２３の転送セル３Ａに転送した後（図６(ｄ)）、Ｇ成分用のバッファ２４Ｇに転送する。さらに、次の電荷（ｎ画素分）が出力端２Ｂに到達すると（図７(ａ)）、今度は、これを垂直転送路２３の転送セル３Ａ,３Ｂに転送した後（図７(ｂ)）、Ｂ成分用のバッファ２４Ｂに転送する。

このようにして水平転送路２２の出力端２Ｂからバッファ２４Ｒ,２４Ｇ,２４Ｂへ、各色成分ごとにｎ画素分の電荷が転送されると、まだ水平転送路２２に残っている各色成分の電荷についても同様に、順次、出力端２Ｂからバッファ２４Ｒ,２４Ｇ,２４Ｂへ、各色成分ごとに転送される。このような転送の繰り返しをｍ回とすれば、バッファ２４Ｒ,２４Ｇ,２４Ｂには、各色成分ごとに、ｍ回分の電荷（つまりｎ×ｍ画素分の電荷）が順に蓄積されていく。このようにして各色成分ごとにｍ回分の電荷が順に加算され、各色成分ごとに水平方向のアナログ加算（ｎ×ｍ画素分）が行われる。

そして、バッファ２４Ｒ,２４Ｇ,２４Ｂにおける水平方向のアナログ加算が終わると、バッファ２４Ｒ,２４Ｇ,２４Ｂに蓄積された各色成分のｎ×ｍ画素分の電荷は、それぞれ出力アンプ２５Ｒ,２５Ｇ,２５Ｂから出力される（図７(ｃ)）。
本実施形態では、水平転送路２２の各転送セルに蓄積された電荷（垂直加算後）のＲ成分,Ｇ成分,Ｂ成分の並び順に応じて、水平転送路２２の出力端２Ｂからの転送方向を制御し、必要であれば垂直転送路２３を利用して、各色成分の電荷をバッファ２４Ｒ,２４Ｇ,２４Ｂに振り分ける。このため、各色成分を分解してアナログ加算することができる。

その後、同様の垂直転送と水平転送とバッファ２４Ｒ,２４Ｇ,２４Ｂへの転送とを繰り返し、ｎライン分ずつ出力アンプ２５Ｒ,２５Ｇ,２５Ｂから出力させることにより、各画素１５Ｒ,１５Ｇ,１５Ｂにおける電荷をｎ×ｍ画素単位で各色成分ごとにアナログ加算しつつ順に読み出すことができる。このような画素加算モードによって読み出された画像信号は、全画素モードと比較して画素数が少なく、応答性能が高いものである。

上記のような第２実施形態の撮像装置２０では、第１実施形態と同様、垂直方向だけでなく水平方向のアナログ加算も行うため、アナログ加算の画素数を容易に増やすことができる。さらに、縦ストライプ状の色配列とし、水平転送路２２への垂直転送を繰り返すことにより、水平転送路２２上で垂直方向のアナログ加算を行うため、その画素数を垂直方向に関してさらに増やすことができる。

また、第２実施形態の撮像装置２０では、水平転送用の水平転送路２２とは別に、水平方向のアナログ加算用のバッファ２４Ｒ,２４Ｇ,２４Ｂを設け、水平転送路２２の出力端２Ｂからバッファ２４Ｒ,２４Ｇ,２４Ｂへの転送を繰り返すことにより、バッファ２４Ｒ,２４Ｇ,２４Ｂ上で水平方向のアナログ加算を行う。このため、アナログ加算の画素数を水平方向に関してさらに増やすことができる。

さらに、第２実施形態の撮像装置２０では、加算用の出力アンプ２５Ｒ,２５Ｇ,２５Ｂを各色成分ごとに設けるため、出力アンプ２５Ｒ,２５Ｇ,２５Ｂを介してバッファ２４Ｒ,２４Ｇ,２４Ｂから各色成分の電荷（ｎ×ｍ画素分）を読み出す際に、その動作を並行して行うことができる。したがって、第１実施形態と比較して、Ａ／Ｄ変換の時間が１／３となり、さらに応答性能が向上する。

なお、上記した第２実施形態では、水平転送路２２の出力端２Ｂから垂直転送路２３を介してＧ成分用のバッファ２４ＧとＢ成分用のバッファ２４Ｂとに電荷を転送したが、本発明はこれに限定されない。例えば図８に示す通り、垂直転送路２３を省略し、水平転送路２２の出力端２Ｃの各転送セルからバッファ２４Ｒ,２４Ｇ,２４Ｂへ、直接的に電荷を転送してもよい。この場合、出力端２Ｃの各転送セルとバッファ２４Ｒ,２４Ｇ,２４Ｂとは各色成分ごとに予め対応づけられる。

（第３実施形態）
第３実施形態の撮像装置３０は、図９に示す通り、上記した第１実施形態の撮像装置１０の撮像素子１１に代えて、撮像素子３１を設けたものである。撮像素子３１には、上記と同様の画素１５Ｒ,１５Ｇ,１５Ｂと垂直転送路１６Ｒ,１６Ｇ,１６Ｂと水平転送路１７と出力アンプ１３が設けられる他、水平画素加算用の水平転送路３２と出力アンプ３３とが設けられる。

また、第３実施形態の撮像装置３０では、水平転送路１７が画素加算モードでの垂直画素加算時にも用いられる。つまり、水平転送路１７は、全画素モードと画素加算モードとで共用される。そして、この水平転送路１７と新たに設けた水平転送路３２と出力アンプ３３とを用いて、画素加算モードでの電荷の読み出しが行われる。
水平画素加算用の水平転送路３２の各転送セルの容量は、水平転送路１７の各転送セル７Ａより大きく、例えば上記の水平転送路１８（図１）の各転送セル８Ａと同じである。また、水平転送路３２は、水平転送路１７の出力端７Ｂに隣接して配置され、その出力端に出力アンプ３３が接続される。

［画素加算モード］
第３実施形態の撮像装置３０における画素加算モードでの読み出し動作を説明する。
撮像装置３０の制御部１２は、各画素１５Ｒ,１５Ｇ,１５Ｂにおける電荷を垂直転送路１６Ｒ,１６Ｇ,１６Ｂに読み出した後、ｎライン分だけ連続して垂直方向に転送する。このとき、水平転送路１７の転送セル７Ａには、各画素列の隣接するｎ個の画素１５Ｒ,１５Ｇ,１５Ｂにおける電荷が順に蓄積されていく。このようにして各画素列ごとにｎ画素分の電荷が順に加算され、各色成分ごとに垂直方向のアナログ加算（ｎ画素分）が行われる。

このように、第３実施形態の撮像装置３０では、水平転送路１７の各転送セル７Ａにて垂直方向のアナログ加算を行うため、入射光の強度が微弱で各画素１５Ｒ,１５Ｇ,１５Ｂにおける電荷量が極少なく、各転送セル７Ａにｎ画素分の電荷を蓄積しても飽和しないようなときに有効である。
水平転送路１７における垂直方向のアナログ加算が終わると、水平転送路１７の各転送セル７Ａに蓄積されたｎ画素分の電荷は、水平転送路１７を介して水平方向に転送され、水平転送路１７の出力端７Ｂに到達すると、出力端７Ｂから大容量の水平転送路３２に垂直転送される（図４(ａ)参照）。出力端７Ｂの各転送セル７Ａと水平転送路３２の各転送セルとは各色成分ごとに予め対応づけられている。

その後の転送動作は、第１実施形態の撮像装置１０と同様であり、水平転送路１７における水平転送と出力端７Ｂから水平転送路３２への垂直転送とが、交互に繰り返してｍ回行われる。その結果、水平転送路３２の各転送セルには、各色成分ごとに、ｍ回分の電荷（つまりｎ×ｍ画素分の電荷）が順に蓄積され、各色成分ごとに水平方向のアナログ加算（ｎ×ｍ画素分）が行われる。

そして、水平転送路３２における水平方向のアナログ加算が終わると、水平転送路３２の各転送セルに蓄積された各色成分のｎ×ｍ画素分の電荷は、水平転送路３２を介して水平方向に転送され、出力アンプ３３から出力される（図４(ｂ)参照）。さらに、同様の垂直転送と水平転送と水平転送路３２への転送とを繰り返し、ｎライン分ずつ出力アンプ３３から出力させることにより、各画素１５Ｒ,１５Ｇ,１５Ｂにおける電荷をｎ×ｍ画素単位で各色成分ごとにアナログ加算しつつ順に読み出すことができる。

上記のような第３実施形態の撮像装置３０では、第１実施形態や第２実施形態と同様、垂直方向だけでなく水平方向のアナログ加算も行うため、アナログ加算の画素数を容易に増やすことができる。
さらに、第３実施形態の撮像装置３０では、全画素モードと画素加算モードとで水平転送路１７を共用するため、シンプルに構成することができる。

（第４実施形態）
ここでは、図１０に示す一眼レフカメラ４０を例に、大規模なアナログ加算機能を有する撮像装置４１を、カメラシステムのサブイメージセンサとして組み込む例について説明する。
一眼レフカメラ４０に組み込まれた撮像装置４１は、上記した撮像装置１０,２０,３０（図１,図５,図８,図９）の何れかに対応し、撮像素子４Ａと制御部４Ｂとで構成される。撮像素子４Ａは、上記の撮像素子１１,２１,３１の何れかに対応する。制御部４Ｂは、上記の制御部１２に対応する。

被写体からの光は、撮影レンズ４２を介してカメラボディの内部に導かれ、撮影前には、反射ミラー４３で反射した後、フォーカシングスクリーン４４に到達する。このとき、フォーカシングスクリーン４４には被写体像が形成される。そして、フォーカシングスクリーン４４を透過した一部の光Ｌ１は、コンデンサレンズ４５とペンタプリズム４６と接眼レンズ４７とを介した後、観察者の眼に導かれる。そのため、観察者は、光学ファインダによる構図の確認を行うことができる。

また、フォーカシングスクリーン４４を透過した残りの一部の光Ｌ２は、上記の光Ｌ１とは僅かに異なる方向に進行し、コンデンサレンズ４５とペンタプリズム４６とを介した後、プリズム４８で反射し、レンズ４９を介して撮像素子４Ａに入射する。このとき、撮像素子４Ａの撮像面には被写体像が形成され、被写体像の各色成分に応じた電荷が色成分ごとに撮像素子４Ａの各画素１５Ｒ,１５Ｇ,１５Ｂに蓄積される。

各画素１５Ｒ,１５Ｇ,１５Ｂにおける電荷の蓄積が終わると、制御部４Ｂは、一眼レフカメラ４０の制御部(不図示)からの指示にしたがって、動作モード（全画素モードまたは画素加算モード）の設定を行い、各画素１５Ｒ,１５Ｇ,１５Ｂの電荷を読み出す。上記の通り、撮像装置４１を画素加算モードに設定すれば、高感度で応答速度が早く且つダイナミックレンジに優れた測光を行うことができ、全画素モードに設定すれば、高解像度な撮影前画像を取り込むことができる。

次に、図１１のフローチャートを参照し、一眼レフカメラ４０の具体的な動作例および撮像装置４１における動作モード（全画素モードまたは画素加算モード）の切り換えについて説明する。
一眼レフカメラ４０の制御部は、カメラ起動時に初期化を行い（ステップＳ１）、撮像装置４１を画素加算モードに設定するため、制御部４Ｂに指示を出す（ステップＳ２）。そして、任意の蓄積時間とゲインによって画素加算モードでの読み出しを行い、撮像素子４Ａからの出力に基づいて評価値を算出し、１回目の測光を行う（ステップＳ３）。次に、１回目の測光で確認した被写体の明るさに基づいて適正の蓄積時間をセットし、２回目の測光（ステップＳ４）を行う。

その後、レリーズの全押し操作が行われず（ステップＳ５がＮｏ）、２回目の測光で確認した被写体の明るさが所定の輝度よりも明るく（ステップＳ６がＮｏ）、連写を行わない場合（ステップＳ７がＮｏ）には、撮像装置４１を全画素モードに切り換えるため、制御部４Ｂに指示を出す（ステップＳ８）。そして、全画素モードでの読み出しを行うことにより、撮影前画像（予備画像）を取り込む（ステップＳ９）。

一眼レフカメラ４０の制御部は、撮影前画像を取り込むと、その画像解析（ステップＳ１０）によって主要被写体の判別や顔検出やシーンの推測などを行い、撮影をサポートする（例えば顔検出を利用したＡＦなど）。また、これと並行して、ステップＳ１１では、撮影前画像の各データのデジタル加算を行った後、測光演算処理を行う。そして、ステップＳ１０,Ｓ１１の処理結果に基づいて撮影用の適正露出を決定する（ステップＳ１２）。

一方、ステップＳ４の２回目の測光で確認した被写体の明るさが所定の輝度よりも暗い場合（ステップＳ６がＹｅｓ）や、連写を行う場合（ステップＳ７がＹｅｓ）には、撮像装置４１を画素加算モードに設定するため、制御部４Ｂに指示を出す（ステップＳ１３）。そして、画素加算モードで取り込んだデータに基づいて測光を行い、撮影用の適正露出を決定する（ステップＳ１２）。

上記のステップＳ６〜Ｓ１４の処理は、所定の時間内に、レリーズの全押し操作が行われるまで繰り返される。レリーズの全押し操作前にタイムアウトとなった場合（ステップＳ１５がＹｅｓ）、図１１の処理を終了する。
レリーズの全押し操作が行われ（ステップＳ５がＹｅｓ）、レリーズシーケンスに入ると、閃光撮影時には（ステップＳ１６がＹｅｓ）、撮像装置４１を画素加算モードに設定するため、制御部４Ｂに指示を出す（ステップＳ１７）。そして、画素加算モードで取り込んだデータに基づいてＴＴＬ調光用の測光を行い（ステップＳ１８）、撮影（ステップＳ１９）が行われる。

撮影時には、一眼レフカメラ４０の反射ミラー４３がフォーカシングスクリーン４４の方へ跳ね上げられ、被写体からの光が像面５０に入射する。この像面５０には、不図示の撮影用の撮像素子が配置され、被写体像が形成される。撮影用の撮像素子(不図示)の代わりにフィルムを像面５０に配置しても構わない。
また、閃光撮影を行わない場合（ステップＳ１６がＮｏ）には、ステップＳ１７,Ｓ１８の処理を実行せずに、撮影（ステップＳ１９）が行われる。

上記の一眼レフカメラ４０では、スピードが要求されるカメラ起動時と閃光撮影のための調光時に、サブイメージセンサ（撮像装置４１）を画素加算モードに設定する。したがって、撮像素子４Ａから読み出されるデータ数を減らし、高速で測光を行う（ステップＳ３,Ｓ４,Ｓ１８）ことができる。
また、感度が要求される低輝度時にも、サブイメージセンサ（撮像装置４１）を画素加算モードに設定する。したがって、１データあたりの画素面積を大きくすることができ、多くの光を集めることにより、十分な感度を確保することができる（ステップＳ１４）。したがって、蓄積時間を短縮することができる。

さらに、大規模なアナログ加算機能を有する撮像装置４１では、応答性も感度も良好な画素加算モードでの測光機能と、高解像度な全画素モードでの撮影前画像の取得機能とを、１つの撮像装置によって切り換えて行うことができる。したがって、このような撮像装置４１を組み込む場合、コストおよび大きさの面で有利となる。
ちなみに、測光時には、撮像装置４１の撮像素子４Ａの内部でアナログ加算を行うため、デジタル系での高速演算を行う必要がなく、データ処理も容易となる。

なお、上記の撮像装置４１を調光センサとして使用する場合は、蓄積の同時性が求められる。このため、プログレッシブ型とすることが好ましい。ただし、インターレス型であってもよく、この場合には専用のメカシャッタを設ければよい。
（変形例）
なお、上記した実施形態では、垂直方向のアナログ加算（ｎ画素分）を水平転送路１８（または水平転送路２２,１７）上で行う例を説明したが、本発明はこれに限定されない。垂直方向のアナログ加算を垂直転送路１６Ｒ,１６Ｇ,１６Ｂ上で行ってもよい。この場合、各色成分の画素１５Ｒ,１５Ｇ,１５Ｂの配列は、縦ストライプ状に限らず、例えばベイヤ配列などであってもよい。

さらに、垂直方向のアナログ加算（ｎ画素分）を水平転送路上で行う場合にも、各画素１５Ｒ,１５Ｇ,１５Ｂの配列は、縦ストライプ状に限らない。各画素列において隣接するｎ個の画素（ｎ個とは垂直方向のアナログ加算数の整数倍に相当）が同色であれば、その部分と隣接して同じ画素列上に異なる色成分の画素をｎ個ずつ配置しても構わない。この場合、各画素列において色成分が変化する箇所を水平方向に揃えることが好ましい。

また、上記した実施形態では、各画素１５Ｒ,１５Ｇ,１５Ｂの電荷を垂直方向にアナログ加算した後、水平方向にアナログ加算する例を説明したが、アナログ加算の順番は逆でもよい。
さらに、上記した実施形態では、ＲＧＢの原色フィルタを備えたカラーＣＣＤ撮像素子の例で説明したが、本発明はこれに限定されない。補色フィルタを備えた構成にも適用できる。補色フィルタの場合、色成分の数は、黄色,マゼンタ,シアンの３色とする場合や、これに緑を加えた４色とする場合がある。原色フィルタや補色フィルタに限らず、任意の複数の色フィルタを備えた構成にも、本発明は適用できる。

また、上記した実施形態では、大規模なアナログ加算機能を有する撮像装置４１を一眼レフカメラ４０に組み込む例で説明したが、本発明はこれに限定されない。一般消費者向け（コンシューマタイプ）のカメラに同様の撮像装置４１を組み込んでも構わない。

第１実施形態の撮像装置１０の全体構成を示す模式図である。 全画素モードでの読み出し動作を説明する図である。 画素加算モードでの読み出し動作を説明する図である。 画素加算モードでの読み出し動作を説明する図である。 第２実施形態の撮像装置２０の全体構成を示す模式図である。 画素加算モードでの読み出し動作を説明する図である。 画素加算モードでの読み出し動作を説明する図である。 第２実施形態の変形例の構成を示す模式図である。 第３実施形態の撮像装置３０の全体構成を示す模式図である。 第４実施形態の一眼レフカメラ４０の構成を示す模式図である。 一眼レフカメラ４０の動作例を示すフローチャートである。

符号の説明

１０,２０,３０,４１ 撮像装置 ； １１,２１,３１,４Ａ 撮像素子 ；
１２,４Ｂ 制御部 ； １５Ｒ,１５Ｇ,１５Ｂ 画素 ；
１６Ｒ,１６Ｇ,１６Ｂ,２３ 垂直転送路 ；１７,１８,１９,２２,３２ 水平転送路 ；
２４Ｒ,２４Ｇ,２４Ｂ バッファ ； ４０ 一眼レフカメラ

Claims (6)

1. 入射光の複数の色成分に応じた電荷を色成分ごとに蓄積する画素を含み、各々の色成分の前記画素が二次元に配列された電荷蓄積部と、
   前記電荷蓄積部の各画素の電荷を同じ色成分どうしで一方向に加算する第１加算部と、
   前記第１加算部によって加算された後の電荷を前記一方向とは垂直な方向に転送して各色成分ごとに順に加算する第２加算部とを備えた
   ことを特徴とする撮像装置。
2. 入射光の複数の色成分に応じた電荷を色成分ごとに蓄積する複数の画素が色成分ごとに一方向に沿って隣接して配列された画素列を含み、各々の色成分の前記画素列が前記一方向とは垂直な方向に繰り返し配列された電荷蓄積部と、
   前記電荷蓄積部の各画素の電荷を前記一方向に転送して各画素列ごとに順に加算する第１加算部と、
   前記第１加算部によって加算された後の電荷を前記一方向とは垂直な方向に転送して各色成分ごとに順に加算する第２加算部とを備えた
   ことを特徴とする撮像装置。
3. 請求項１または請求項２に記載の撮像装置において、
   前記第２加算部は、第１の水平転送路を介して、前記第１加算部で加算された後の電荷を転送すると共に、該電荷を前記第１の水平転送路より容量の大きい第２の水平転送路またはバッファに蓄積させることで各色成分ごとに加算する
   ことを特徴とする撮像装置。
4. 請求項１または請求項２に記載の撮像装置において、
   前記第２加算部は、第１の水平転送路を介して、前記第１加算部で加算された後の電荷を転送するものであり、
   前記電荷蓄積部の各画素の電荷を加算せずに垂直方向および水平方向に順に転送すると共に、該水平方向の転送を前記第１の水平転送路より容量の小さい第３の水平転送路を介して行う非加算転送部をさらに備えた
   ことを特徴とする撮像装置。
5. 請求項４に記載の撮像装置において、
   前記第１加算部と前記第２加算部とを用いて前記電荷蓄積部の各画素の電荷を読み出す加算モードと、前記非加算転送部を用いて前記電荷蓄積部の各画素の電荷を読み出す非加算モードとを切り換える制御手段をさらに備えた
   ことを特徴とする撮像装置。
6. 請求項１から請求項５の何れか１項に記載の撮像装置を備えた
   ことを特徴とするカメラシステム。
   

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