JP2010251829A

JP2010251829A - 固体撮像素子、カメラシステム、及び信号読み出し方法

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Publication number: JP2010251829A
Application number: JP2009095916A
Authority: JP
Inventors: Shunsuke Suzuki; 俊介鈴木
Original assignee: Olympus Corp
Current assignee: Olympus Corp
Priority date: 2009-04-10
Filing date: 2009-04-10
Publication date: 2010-11-04
Also published as: US20100259659A1; US8300122B2

Abstract

【課題】連続駆動時の待機時間を削減し駆動を高速化することができる固体撮像素子、カメラシステム、及び信号読み出し方法を提供する。
【解決手段】第１のフレームに対応する光信号を光電変換素子に蓄積する第１の露光期間と、第１のフレームに続く第２のフレームに対応する光信号を光電変換素子に蓄積する第２の露光期間との間に設定される読み出し期間を複数に分割した単位読み出し期間において、光電変換素子の光信号が行単位で読み出され、垂直信号線114、出力選択トランジスタ701、及び水平信号読み出し回路400-1を通り、出力端子410-1から出力される。また、同一の単位読み出し期間において、光信号を読み出す行と同一の行に属する光電変換素子のリセット信号が読み出され、垂直信号線114、出力選択トランジスタ702、及び水平信号読み出し回路400-2を通り、出力端子410-2から出力される。
【選択図】図１

Description

本発明は、複数の画素において同時に電荷の蓄積の開始と終了を行うグローバルシャッター機能を備えた固体撮像素子に関する。また、本発明は、固体撮像素子を有するカメラシステムにも関する。また、本発明は、グローバルシャッター機能に係る信号読み出し方法にも関する。

従来、固体撮像素子として、増幅読み出し機能を有する画素を用いたMOS型固体撮像素子が知られている。図11は、MOS型固体撮像素子の画素構成を示している。図11に示す画素100 は、フォトダイオード101、転送トランジスタ102、電荷保持部（FD：フローティングディフュージョン）103、フローティングディフュージョンリセットトランジスタ104、増幅トランジスタ105、選択トランジスタ106、フォトダイオードリセットトランジスタ107を有する。また、画素電源線110、フローティングディフュージョンリセット線111、転送線112、選択線113、垂直信号線114、フォトダイオードリセット線115は複数の画素間で共有される。

フォトダイオード101 は、蓄積される電荷量が入射される光に応じて変化する光電変換素子である。転送トランジスタ102 は、フォトダイオード101 で発生した信号電荷を電荷保持部103 に転送するためのトランジスタである。電荷保持部103は、フォトダイオード101から転送された電荷を保持する電荷保持機能を有する。フローティングディフュージョンリセットトランジスタ104 は、電荷保持部103 をリセットするためのトランジスタである。増幅トランジスタ105 は、電荷保持部103 の電圧レベルを増幅して読み出すためのトランジスタである。選択トランジスタ106 は、画素を選択し、垂直信号線114 に増幅トランジスタ105 の出力を伝えるためのトランジスタである。フォトダイオードリセットトランジスタ107は、フォトダイオード101をリセットするためのトランジスタである。ここで、フォトダイオード101 以外は遮光されている。

画素電源線110 は、電源電圧VDDを印加するための配線であり、フローティングディフュージョンリセットトランジスタ104 のドレイン側、増幅トランジスタ105 のドレイン側、及びフォトダイオードリセットトランジスタ107のドレイン側に電気的に接続されている。フローティングディフュージョンリセット線111 は、１行分の電荷保持部103をリセットするためのフローティングディフュージョンリセットパルスφRMiを印加するための配線であり、1行分のフローティングディフュージョンリセットトランジスタ104 のゲートに接続されている。

転送線112 は、1行分の画素の信号電荷をそれぞれの画素の電荷保持部103 に転送するための行転送パルスφTRiが印加される配線であり、1行分の画素の転送トランジスタ102 のゲートに電気的に接続されている。選択線113 は、1行分の画素を選択するための行選択パルスφSEiが印加される配線であり、1行分の画素の選択トランジスタ106 のゲートに電気的に接続されている。フォトダイオードリセット線115 は、1行分のフォトダイオード101をリセットするための行フォトダイオードリセットパルスφRPDiが印加される配線であり、1行分のフォトダイオードリセットトランジスタ107のゲートに接続されている。このように5個のトランジスタを用いた画素構成により、光電変換機能、フォトダイオードリセット機能、電化保持部リセット機能、増幅読み出し機能、一時メモリ機能、及び選択機能が実現される。

MOS型固体撮像素子は、このような構成の画素をm行×n列の2次元状に配列した画素アレイを有する。図10は固体撮像素子の構成を示している。図10に示す固体撮像素子は、画素部200、垂直走査回路300、水平信号読み出し回路400、電流源150、及び各種配線から構成されている。

画素部200は、図11に示した画素100を3×3の2次元状に配列した構造を示している。垂直走査回路300は行単位で画素の駆動制御を行う。この駆動制御のために、垂直走査回路300は、行数と同一の数だけ設けた単位回路301-i（i=1〜3）から構成されている。各行の単位回路301-iは、制御部302-i ，303-i，304-i，305-iから構成されている。

制御部302-iは、フローティングディフュージョンリセットパルスφRMiを行毎に独立して制御する。制御部303-iは、行転送パルスφTRiを行毎に独立して制御する。制御部304-iは、フォトダイオードリセットパルスφRPDiを行毎に独立して制御する。制御部305-iは、行選択パルスφSEiを行毎に独立して制御する。これらの各パルスにより選択的に制御された行の画素の信号は、列毎に設けられている垂直信号線114へ出力されるようになっている。

水平読み出し回路400は、垂直信号線114に出力される1行分の画素の信号を、水平方向の並び順で時系列に出力端子410から出力する。電流源150は、垂直信号線114に接続されており、バイアス電流を供給する。フローティングディフュージョンリセット線111 は、フローティングディフュージョンリセットパルスφRMiが印加される配線である。転送線112 は、行転送パルスφTRiが印加される配線である。選択線113 は、行選択パルスφSEiが印加される配線である。フォトダイオードリセット線115 は、フォトダイオードリセットパルスφRPDiが印加される配線である。なお、画素電源VDDを供給する画素電源線110は図示していない。

このような構成で各行の画素の信号を1行目からm行目まで順次選択して読み出すことで全画素の信号を読み出す手法を通常のXYアドレス読み出し方式という。しかしながら、通常のXYアドレス読み出し方式においては、信号を蓄積する時刻が画素アレイの行毎に異なるため、最初に信号を読み出す第1行と、最後に信号を読み出す第m行とでは、信号を読み出す時刻が最大で１フレーム分異なる。そのため、高速に移動する物体を撮影したときに画像が歪むという問題が生じる。

上記の問題点を解決する手法として、グローバルシャッター読み出し方式（例えば、特許文献1，2参照）がある。以下、図12を参照しながら、グローバルシャッター読み出し方式の動作を説明する。まず、垂直走査回路300から全行のフォトダイオードリセットパルスφRPD1〜φRPDmに“Hi”レベルが印加される。これにより、全行のフォトダイオード101がリセットされている状態となる。

続いて、1行目のフローティングディフュージョンリセットパルスφRM1に“Hi”レベルが印加され、1行目の電荷保持部103がリセットされる。その後、1行目のフローティングディフュージョンリセットパルスφRM1に“Lo”レベルが印加され、1行目の行転送パルスφSE1に“Hi”レベルが印加される。これにより、リセットノイズ及びソースフォロワ増幅トランジスタの閾値電圧ばらつき等の固定パターンノイズからなるリセット信号が、垂直信号線114及び水平信号読み出し回路400を通して出力される。出力されたリセット信号は、図示しない外部の信号記憶部で保持される。この駆動が各行毎に順次実行され、全行分のリセット信号が信号記憶部で保持された後、フォトダイオードリセットパルスφRPD1〜φRPDmに“Lo”レベルが同時に印加される。これにより、全行の画素における蓄積が同時に開始される。

一定期間が経過した後、全行のフローティングディフュージョンリセットパルスφRM1〜φRMmに“Hi”レベルが同時に印加される。これにより、全行の画素における蓄積が同時に終了し、信号電荷保持部103の不要な電荷が排出される。その後、全行の行転送パルスφTR1〜φTRmに“Hi”レベルが印加され、蓄積（露光）で生じた信号成分（光信号）が全行一括で信号電荷保持部103に転送される。

その後、1行目から順に行選択パルスφSE1〜φSEmに“Hi”レベルが印加され、光信号が、垂直信号線114及び水平信号読み出し回路400を通して出力される。出力された光信号成分と、予め保持されたリセット信号成分との差分をとることで、リセットノイズ及び固定パターンノイズを除去して光信号分のみを取り出すことができ、SNの高い画像を取得できる。

上記の動作によれば、全行の画素の蓄積開始と終了のタイミングが同時となる。このため、被写体が速く動いている場合でも、被写体の形状が歪んで捕らえられたり、或いは蛍光灯のフリッカが画像に現れたりすることがなく、良質の画像を撮影することが可能である。

特開２００５−６５１８４号公報特開２００６−２６２０７０号公報

しかしながら、従来技術においては、連続駆動時（例えば、連写モード）の駆動方法について考慮されていない。図13は、図12に示した駆動を連続駆動に適用した場合の概念を模式的に示している。図13において、1フレームの動作は、リセット信号の順次読み出し動作601、一括蓄積開始動作602、一括転送動作603、及び光信号の順次読み出し動作604から構成されている。光信号の順次読み出し動作604から次フレームのリセット信号の順次読み出し動作601までの間には待機期間605がある。連続駆動では、このように待機期間605が生じ、連写速度向上の妨げになってしまう。

本発明は、上述した課題に鑑みてなされたものであって、連続駆動時の待機時間を削減し駆動を高速化することができる固体撮像素子、カメラシステム、及び信号読み出し方法を提供することを目的とする。

本発明は、上記の課題を解決するためになされたもので、蓄積される電荷量が入射される光に応じて変化する複数の光電変換素子が２次元的に配置された画素部と、前記画素部に含まれる複数の行に属する前記光電変換素子において電荷の蓄積の開始及び終了が同時になされるように前記画素部を制御する露光制御部と、第１のフレームに対応する光信号を前記光電変換素子に蓄積する第１の露光期間と、前記第１のフレームに続く第２のフレームに対応する光信号を前記光電変換素子に蓄積する第２の露光期間との間に設定される読み出し期間を複数に分割した単位読み出し期間において、前記光電変換素子の前記光信号を行単位で読み出す第１の読み出し経路と、前記単位読み出し期間において、前記光信号を読み出す行と同一の行に属する前記光電変換素子のリセット信号を読み出す第２の読み出し経路と、を備える固体撮像素子である。

また、本発明の固体撮像素子において、前記第１の読み出し経路は、前記単位読み出し期間において、前記光電変換素子の前記光信号を転送する信号線と、前記単位読み出し期間において、前記信号線によって転送された前記光信号を外部へ出力する第１の出力部と、を有し、前記第２の読み出し経路は、前記単位読み出し期間において、前記光信号の転送後、前記光電変換素子の前記リセット信号を転送する、前記信号線と同一の信号線と、前記単位読み出し期間において、前記信号線によって転送された前記リセット信号を外部へ出力する第２の出力部と、を有する。

また、本発明の固体撮像素子において、前記第１の読み出し経路は、前記単位読み出し期間において、前記光電変換素子の前記光信号を転送する第１の信号線と、前記単位読み出し期間において、前記第１の信号線によって転送された前記光信号を外部へ出力する第１の出力部と、を有し、前記第２の読み出し経路は、前記単位読み出し期間において、前記光電変換素子の前記リセット信号を転送する第２の信号線と、前記単位読み出し期間において、前記第２の信号線によって転送された前記リセット信号を外部へ出力する第２の出力部と、を有する。

また、本発明は、蓄積される電荷量が入射される光に応じて変化する複数の光電変換素子が２次元的に配置された画素部と、前記画素部に含まれる複数の行に属する前記光電変換素子において電荷の蓄積の開始及び終了が同時になされるように前記画素部を制御する露光制御部と、第１のフレームに対応する光信号を前記光電変換素子に蓄積する第１の露光期間と、前記第１のフレームに続く第２のフレームに対応する光信号を前記光電変換素子に蓄積する第２の露光期間との間に設定される読み出し期間を複数に分割した単位読み出し期間のうち、第１の単位読み出し期間において、第１の行に属する前記光電変換素子の前記光信号を読み出し、前記第１の単位読み出し期間よりも後の第２の単位読み出し期間において、前記第１の行に属する前記光電変換素子のリセット信号を読み出す第１の読み出し経路と、前記第２の単位読み出し期間において、前記第１の行と異なる第２の行に属する前記光電変換素子の前記光信号を読み出し、前記第２の単位読み出し期間よりも後の第３の単位読み出し期間において、前記第２の行に属する前記光電変換素子の前記リセット信号を読み出す第２の読み出し経路と、を備える固体撮像素子である。

また、本発明は、上記の固体撮像素子を備えるカメラシステムである。

また、本発明は、蓄積される電荷量が入射される光に応じて変化する複数の光電変換素子が２次元的に配置された画素部に含まれる複数の行に属する前記光電変換素子において電荷の蓄積の開始及び終了が同時になされるように前記画素部を制御し、連続する第１のフレーム及び第２のフレームのうち、前記第１のフレームに対応する光信号を前記光電変換素子に蓄積する第１の露光期間と、前記第１のフレームに続く前記第２のフレームに対応する光信号を前記光電変換素子に蓄積する第２の露光期間との間に設定される読み出し期間を複数に分割した単位読み出し期間において、前記光電変換素子の前記光信号を行単位で第１の読み出し経路で読み出し、前記単位読み出し期間において、前記光信号を読み出す行と同一の行に属する前記光電変換素子のリセット信号を、前記第１の読み出し経路と異なる第２の読み出し経路で読み出す信号読み出し方法である。

また、本発明は、蓄積される電荷量が入射される光に応じて変化する複数の光電変換素子が２次元的に配置された画素部に含まれる複数の行に属する前記光電変換素子において電荷の蓄積の開始及び終了が同時になされるように前記画素部を制御し、第１のフレームに対応する光信号を前記光電変換素子に蓄積する第１の露光期間と、前記第１のフレームに続く第２のフレームに対応する光信号を前記光電変換素子に蓄積する第２の露光期間との間に設定される読み出し期間を複数に分割した単位読み出し期間のうち、第１の単位読み出し期間において、第１の行に属する前記光電変換素子の前記光信号を第１の読み出し経路で読み出し、前記第１の単位読み出し期間よりも後の第２の単位読み出し期間において、前記第１の行に属する前記光電変換素子のリセット信号を前記第１の読み出し経路で読み出すと共に、前記第１の行と異なる第２の行に属する前記光電変換素子の前記光信号を、前記第１の読み出し経路と異なる第２の読み出し経路で読み出し、前記第２の単位読み出し期間よりも後の第３の単位読み出し期間において、前記第２の行に属する前記光電変換素子の前記リセット信号を前記第２の読み出し経路で読み出す信号読み出し方法である。

本発明によれば、同一の単位読み出し期間において、光電変換素子の光信号及びリセット信号を異なる読み出し経路で読み出すことによって、連続駆動時の待機時間を削減し駆動を高速化することができる。

本発明の第1の実施形態による固体撮像素子の構成を示すブロック図である。本発明の第1の実施形態によるカメラシステムの構成を示すブロック図である。本発明の第1の実施形態による固体撮像素子の駆動タイミングを示すタイミングチャートである。本発明の第2の実施形態による固体撮像素子の構成を示すブロック図である。本発明の第2の実施形態による画素の構成を示す回路図である。本発明の第2の実施形態による固体撮像素子の駆動タイミングを示すタイミングチャートである。本発明の第3の実施形態による固体撮像素子の構成を示すブロック図である。本発明の第3の実施形態による固体撮像素子の駆動タイミングを示すタイミングチャートである。本発明の各実施形態による固体撮像素子の駆動タイミングを示す概念図である。固体撮像素子の構成を示すブロック図である。画素の構成を示す回路図である。固体撮像素子の駆動タイミングを示すタイミングチャートである。固体撮像素子の駆動タイミングを示す概念図である。

以下、図面を参照し、本発明の実施形態を説明する。なお、以下で説明する各実施形態による固体撮像素子は3行3列や4行4列の画素アレイを有するものとしているが、画素数がこれ以上であっても実施が可能である。

（第1の実施形態）
まず、本発明の第1の実施形態を説明する。図1は、第1の実施形態による固体撮像素子の構成を示している。図1に示す固体撮像素子は、画素部200、垂直走査回路300（露光制御部）、水平信号読み出し回路400-1，400-2、出力選択トランジスタ701，702、電流源150、及び各種配線から構成されている。

画素部200内の画素100の構成は、図10及び図11に示した構成と同一である。水平信号読み出し回路400-1，400-2の構成は、図10で示した水平読み出し回路400の構成と同一である。出力選択トランジスタ701，702は、垂直信号線114に出力された信号を外部に出力する水平読み出し回路を2つの水平読み出し回路400-1，400-2から選択するためのトランジスタである。出力選択信号線501-1，501-2は、出力選択トランジスタ701，702を制御するパルスφRO1，φRO2が印加される配線であり、出力選択トランジスタ701，702のゲートに接続されている。他の構成については、図10に示した構成と同一であるため、説明を省略する。

垂直信号線114、出力選択トランジスタ701、及び水平信号読み出し回路400-1（第1の出力部）は第1の読み出し経路を構成し、垂直信号線114、出力選択トランジスタ702、及び水平信号読み出し回路400-2（第2の出力部）は第2の読み出し経路を構成している。第1の実施形態では、これら2つの読み出し経路によって、画素部200から同一期間に信号が並列的に読み出される。この動作の詳細は後述する。

図2は、図1に示す固体撮像素子を有するデジタルカメラ（カメラシステム）の構成を示している。図2に示すデジタルカメラ7-1は、レンズ7-2、メカニカルシャッタ7-3、イメージセンサ7-4、画像処理回路7-5、メモリ7-6、記録装置7-7、レンズ制御装置7-8、シャッタ駆動装置7-9、イメージャ駆動装置7-10、カメラ制御装置7-11、及び表示装置7-12から構成されている。

レンズ7-2は被写体像をイメージセンサ7-4に結像する。イメージセンサ7-4は、図1に示した固体撮像素子である。画像処理回路7-5は、イメージセンサ7-4から出力された画像信号に対して補正や圧縮等の各種処理を行う。メモリ7-6は画像信号を一時的に記憶する。記録装置7-7は、画像処理回路7-5によって処理された画像信号を記録媒体に記録する。レンズ制御装置7-8は、レンズ7-2のズーム、フォーカス、絞り等を制御する。シャッタ駆動装置7-9は、メカニカルシャッタ7-3の駆動を制御する。イメージャ駆動装置7-10は、イメージセンサ7-4の駆動を制御する。カメラ制御装置7-11は、デジタルカメラ7-1の全体を制御する。表示装置7-12は、画像信号に基づく画像を表示する。図2に示したデジタルカメラ7-1の構成は、後述する第2の実施形態及び第3の実施形態においても同様である。

以下、図3を参照しながら、第1の実施形態における連続駆動シーケンスを説明する。信号蓄積期間（露光期間）では、入射した光に応じた電荷がフォトダイオード101に蓄積される。また、垂直走査回路300が各種パルスを供給することによって、画素部200内の全画素において電荷の蓄積の開始と終了が同時に行われるグローバルシャッター機能が実現されている。露光期間中の駆動は、図12に示した駆動と同一であるため、説明を省略する。連続するフレームとフレームの間に設けられた順次読み出し期間は複数の期間（単位読み出し期間）に分割されている。図3では、行数と同一数の単位読み出し期間が設けられている。

露光期間が終了した後の単位読み出し期間において、まず1行目の選択パルスφSE1に“Hi”レベルが印加され、選択トランジスタ106がONとなる。その後、上記と同一の単位読み出し期間において、出力選択パルスφRO1に“Hi”レベルが印加され、出力選択トランジスタ701がONとなる。これにより、露光期間にフォトダイオード101に蓄積された電荷に基づく信号（光信号）は、垂直信号線114、出力選択トランジスタ701、及び水平信号読み出し回路400-1を通り、出力端子410-1から出力される。

続いて、上記と同一の単位読み出し期間において、出力選択パルスφRO1に“Lo”レベルが印加され、出力選択トランジスタ701がOFFとなった後、フローティングディフュージョンリセットパルスφRM1に“Hi”レベルが印加され、フローティングディフュージョンリセットトランジスタ104がONとなる。これにより、電荷保持部103がリセットされる。

続いて、上記と同一の単位読み出し期間において、フローティングディフュージョンリセットパルスφRM1に“Lo”レベルが印加され、フローティングディフュージョンリセットトランジスタ104がOFFとなる。さらに、上記と同一の単位読み出し期間において、出力選択パルスφRO2に“Hi”レベルが印加され、出力選択トランジスタ702がONとなる。これにより、リセットレベルの信号（リセット信号）は、垂直信号線114、出力選択トランジスタ702、及び水平信号読み出し回路400-2を通り、出力端子410-2から出力される。その後、出力選択パルスφRO2に“Lo”レベルが印加され、出力選択トランジスタ702がOFFとなる。

以上が1行目の駆動である。2行目〜m行目の駆動は、前の行の駆動が行われた単位読み出し期間の次の単位読み出し期間に行われる。この駆動をm行目まで順次行うことで、出力端子410-1から各行の光信号成分が出力され、この光信号成分の出力と並行して、出力端子410-2から各行のリセット信号成分が出力される。

なお、図3において、出力1、出力2が同タイミングで出力されているのは、水平信号読み出し回路400-1，400-2の制御によるものである。これに対して、出力1を出力2に対して早めに出力することも可能である。また、上記の駆動はフォトダイオードリセットトランジスタ107の無い画素構造、いわゆる4トランジスタ構成の画素でも実現可能である。

上記の駆動により、現フレームの光信号成分と次フレームのリセット信号成分を並列に出力することが可能となる。図9は、図3に示した駆動を連続駆動に適用した場合の概念を模式的に示している。図9において、1フレームの動作は、リセット信号の順次読み出し動作601、一括蓄積開始動作602、一括転送動作603、及び光信号の順次読み出し動作604から構成されている。第1の実施形態によれば、図9に示すように、フレーム間の待機期間605の無い駆動を実現することができ、駆動を高速化することができる。

（第2の実施形態）
次に、本発明の第2の実施形態を説明する。図4は、第2の実施形態による固体撮像素子の構成を示している。図4に示す固体撮像素子は、画素部200、垂直走査回路300、水平信号読み出し回路400-1，400-2、電流源150、及び各種配線から構成されている。図4に示す固体撮像素子では、図10に示した固体撮像素子と比較して、画素100と垂直走査回路300の構成が異なる。他の構成については、図10に示した構成と同一であるため、説明を省略する。

図5は、画素100の構成を示している。図5に示す画素100では、図11に示した画素100と比較して、選択トランジスタ108、垂直信号線116、及び選択線117が追加されている点が異なる。選択トランジスタ108 は、画素を選択し、垂直信号線116 に増幅トランジスタ105 の出力を伝えるためのトランジスタである。また、選択線117 は、1行分の画素を選択するための行選択パルスφSEi-2が印加される配線であり、1行分の画素の選択トランジスタ108 のゲートに電気的に接続されている。他の構成については、図11に示した構成と同一であるため、説明を省略する。ただし、選択線113 には行選択パルスφSEi-1が印加される。

また、垂直走査回路300には制御部306-i（i=1〜3）が追加されている。制御部306-iは、行選択パルスφSEi-2を行毎に独立して制御する。他の構成については、図10に示した構成と同一であるため、説明を省略する。ただし、制御部305-iは、行選択パルスφSEi-1を行毎に独立して制御する。

垂直信号線114（第1の信号線）及び水平信号読み出し回路400-1（第1の出力部）は第1の読み出し経路を構成し、垂直信号線116（第2の信号線）及び水平信号読み出し回路400-2（第2の出力部）は第2の読み出し経路を構成している。第2の実施形態では、これら2つの読み出し経路によって、画素部200から同一期間に信号が並列的に読み出される。この動作の詳細を以下で説明する。

以下、図6を参照しながら、第2の実施形態における連続駆動シーケンスを説明する。露光期間中の駆動は、図12に示した駆動と同一であるため、説明を省略する。連続するフレームとフレームの間に設けられた順次読み出し期間は複数の期間（単位読み出し期間）に分割されている。図6では、行数と同一数の単位読み出し期間が設けられている。

露光期間が終了した後の単位読み出し期間において、まず1行目の選択パルスφSE1-1に“Hi”レベルが印加され、選択トランジスタ106がONとなる。これにより、露光期間に蓄積された電荷に基づく信号（光信号）は、垂直信号線114及び水平信号読み出し回路400-1を通り、出力端子410-1から出力される。

続いて、上記と同一の単位読み出し期間において、選択パルスφSE1-1に“Lo”レベルが印加され、選択トランジスタ106がOFFとなった後、フローティングディフュージョンリセットパルスφRM1に“Hi”レベルが印加され、フローティングディフュージョンリセットトランジスタ104がONとなる。これにより、電荷保持部103がリセットされる。

続いて、上記と同一の単位読み出し期間において、フローティングディフュージョンリセットパルスφRM1に“Lo”レベルが印加され、フローティングディフュージョンリセットトランジスタ104がOFFとなる。さらに、上記と同一の単位読み出し期間において、選択パルスφSE1-2に“Hi”レベルが印加され、選択トランジスタ108がONとなる。これにより、リセットレベルの信号（リセット信号）は、垂直信号線116及び水平信号読み出し回路400-2を通り、出力端子410-2から出力される。その後、選択パルスφSE1-2に“Lo”レベルが印加され、選択トランジスタ108がOFFとなる。

なお、図6において、出力1、出力2が同タイミングで出力されているのは、水平信号読み出し回路400-1，400-2の制御によるものである。これに対して、出力1を出力2に対して早めに出力することも可能である。また、上記の駆動はフォトダイオードリセットトランジスタ107の無い画素構造、いわゆる4トランジスタ構成の画素でも実現可能である。

上記の駆動により、現フレームの光信号成分と次フレームのリセット信号成分を並列に出力することが可能となる。したがって、第2の実施形態によれば、図9に示すように、フレーム間の待機期間605の無い駆動を実現することができ、駆動を高速化することができる。

第1の実施形態では、同一の単位読み出し期間において、同一行の光信号とリセット信号を同一の垂直信号線114で水平読み出し回路400-1，400-2にそれぞれ転送するため、出力選択トランジスタ701，702により読み出し経路のスイッチングを行う必要がある。これに対して、第2の実施形態では、2本の垂直信号線114，116が設けられており、同一の単位読み出し期間において、同一行の光信号とリセット信号を垂直信号線114，116で水平読み出し回路400-1，400-2にそれぞれ転送するため、読み出し経路のスイッチングは必要ない。

したがって、第2の実施形態では、第1の実施形態と比較して、読み出し経路のスイッチングに要する時間を削減することができる。一方、第2の実施形態では、2本の垂直信号線114，116を設けるため、第1の実施形態と比較して、画素100内の配線が複雑となる。

（第3の実施形態）
次に、本発明の第3の実施形態を説明する。図7は、第3の実施形態による固体撮像素子の構成を示している。図7に示す固体撮像素子は、画素部200、垂直走査回路300、水平信号読み出し回路400-1，400-2、電流源150、及び各種配線から構成されている。図7示す固体撮像素子では、図10に示した固体撮像素子と比較して、垂直信号線118が追加されている点が異なる。また、垂直信号線114は奇数行の画素100に接続され、垂直信号線118は偶数行の画素100に接続されている。他の構成については、図10に示した構成と同一であるため、説明を省略する。

垂直信号線114及び水平信号読み出し回路400-1は第1の読み出し経路を構成し、垂直信号線118及び水平信号読み出し回路400-2は第2の読み出し経路を構成している。第3の実施形態では、これら2つの読み出し経路によって、画素部200から同一期間に信号が並列的に読み出される。この動作の詳細を以下で説明する。

以下、図8を参照しながら、第3の実施形態における連続駆動シーケンスを説明する。露光期間中の駆動は、図12に示した駆動と同一であるため、説明を省略する。連続するフレームとフレームの間に設けられた順次読み出し期間は複数の期間（単位読み出し期間）に分割されている。図8では、行数よりも1つ多い数の単位読み出し期間が設けられている。

露光期間が終了した後の単位読み出し期間（第1の単位読み出し期間）において、まず1行目の選択パルスφSE1に“Hi”レベルが印加され、選択トランジスタ106がONとなる。これにより、露光期間に1行目のフォトダイオード101に蓄積された電荷に基づく信号（光信号）は、垂直信号線114及び水平信号読み出し回路400-1を通り、出力端子410-1から出力される。続いて、上記と同一の単位読み出し期間において、選択パルスφSE1に“Lo”レベルが印加され、選択トランジスタ106がOFFとなる。

続いて、第1の単位読み出し期間の次の単位読み出し期間（第2の単位読み出し期間）において、フローティングディフュージョンリセットパルスφRM1に“Hi”レベルが印加され、フローティングディフュージョンリセットトランジスタ104がONとなる。これにより、電荷保持部103がリセットされる。

続いて、第2の単位読み出し期間において、1行目の選択パルスφSE1に再び“Hi”レベルが印加され、選択トランジスタ106がONとなる。これにより、リセットレベルの信号（リセット信号）は、垂直信号線114及び水平信号読み出し回路400-1を通り、出力端子410-1から出力される。その後、選択パルスφSE1に“Lo”レベルが印加され、選択トランジスタ106がOFFとなる。

また、第2の単位読み出し期間において、2行目の選択パルスφSE2に“Hi”レベルが印加され、選択トランジスタ106がONとなる。これにより、露光期間に2行目のフォトダイオード101に蓄積された電荷に基づく光信号が、垂直信号線118及び水平信号読み出し回路400-2を通り、出力端子410-2から出力される。その後、選択パルスφSE2に“Lo”レベルが印加され、選択トランジスタ106がOFFとなる。

第2の単位読み出し期間の次の単位読み出し期間（第3の単位読み出し期間）においては、2行目について、第2の単位読み出し期間における1行目の駆動と同様の駆動が行われる。これにより、2行目のリセット信号が、垂直信号線114及び水平信号読み出し回路400-2を通り、出力端子410-2から出力される。また、第3の単位読み出し期間においては、3行目について、第1の単位読み出し期間における1行目の駆動と同様の駆動が行われる。これにより、3行目の光信号が、垂直信号線114及び水平信号読み出し回路400-1を通り、出力端子410-1から出力される。

上記の駆動をm行目まで順次行うことで、出力端子410-1から奇数行の光信号成分とリセット信号成分が出力され、出力端子410-2から偶数行の光信号成分とリセット信号成分が出力される。

上記の駆動方法では、最後の行のリセット信号を取得するために、第1の実施形態や第2の実施形態と比較して、+1ライン分の単位読み出し期間の追加が必要となるが、現フレームの光信号成分と次フレームのリセット信号成分を並列に出力する構成は同じである。したがって、第3の実施形態によれば、図9に示すように、フレーム間の待機期間605の無い駆動を実現することができ、駆動を高速化することができる。

前述したように、第1の実施形態では読み出し経路のスイッチングを行う必要があるが、第3の実施形態では第2の実施形態と同様に読み出し経路のスイッチングは必要ない。したがって、第3の実施形態では、第1の実施形態と比較して、読み出し経路のスイッチングに要する時間を削減することができる。ただし、上記のように、第3の実施形態では+1ライン分の単位読み出し期間の追加が必要となる。一方、第3の実施形態では、2本の垂直信号線114，118を設けるため、第1の実施形態と比較して、画素100内の配線が複雑となる。

また、第2の実施形態では垂直信号線114，116が全行の画素100に接続されていたが、第3の実施形態では垂直信号線114が奇数行の画素100に接続され、垂直信号線118が偶数行の画素100に接続されている。したがって、第3の実施形態では、第2の実施形態と比較して、画素100内の配線を削減することができる。

以上、図面を参照して本発明の実施形態について詳述してきたが、具体的な構成は上記の実施形態に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の設計変更等も含まれる。

100・・・画素、200・・・画素部、300・・・垂直走査回路、400，400-1，400-2・・・水平信号読み出し回路、701，702・・・出力選択トランジスタ、150・・・電流源

Claims

蓄積される電荷量が入射される光に応じて変化する複数の光電変換素子が２次元的に配置された画素部と、
前記画素部に含まれる複数の行に属する前記光電変換素子において電荷の蓄積の開始及び終了が同時になされるように前記画素部を制御する露光制御部と、
第１のフレームに対応する光信号を前記光電変換素子に蓄積する第１の露光期間と、前記第１のフレームに続く第２のフレームに対応する光信号を前記光電変換素子に蓄積する第２の露光期間との間に設定される読み出し期間を複数に分割した単位読み出し期間において、前記光電変換素子の前記光信号を行単位で読み出す第１の読み出し経路と、
前記単位読み出し期間において、前記光信号を読み出す行と同一の行に属する前記光電変換素子のリセット信号を読み出す第２の読み出し経路と、
を備える固体撮像素子。
前記第１の読み出し経路は、
前記単位読み出し期間において、前記光電変換素子の前記光信号を転送する信号線と、
前記単位読み出し期間において、前記信号線によって転送された前記光信号を外部へ出力する第１の出力部と、
を有し、
前記第２の読み出し経路は、
前記単位読み出し期間において、前記光信号の転送後、前記光電変換素子の前記リセット信号を転送する、前記信号線と同一の信号線と、
前記単位読み出し期間において、前記信号線によって転送された前記リセット信号を外部へ出力する第２の出力部と、
を有する請求項１に記載の固体撮像素子。
前記第１の読み出し経路は、
前記単位読み出し期間において、前記光電変換素子の前記光信号を転送する第１の信号線と、
前記単位読み出し期間において、前記第１の信号線によって転送された前記光信号を外部へ出力する第１の出力部と、
を有し、
前記第２の読み出し経路は、
前記単位読み出し期間において、前記光電変換素子の前記リセット信号を転送する第２の信号線と、
前記単位読み出し期間において、前記第２の信号線によって転送された前記リセット信号を外部へ出力する第２の出力部と、
を有する請求項１に記載の固体撮像素子。
蓄積される電荷量が入射される光に応じて変化する複数の光電変換素子が２次元的に配置された画素部と、
前記画素部に含まれる複数の行に属する前記光電変換素子において電荷の蓄積の開始及び終了が同時になされるように前記画素部を制御する露光制御部と、
第１のフレームに対応する光信号を前記光電変換素子に蓄積する第１の露光期間と、前記第１のフレームに続く第２のフレームに対応する光信号を前記光電変換素子に蓄積する第２の露光期間との間に設定される読み出し期間を複数に分割した単位読み出し期間のうち、第１の単位読み出し期間において、第１の行に属する前記光電変換素子の前記光信号を読み出し、前記第１の単位読み出し期間よりも後の第２の単位読み出し期間において、前記第１の行に属する前記光電変換素子のリセット信号を読み出す第１の読み出し経路と、
前記第２の単位読み出し期間において、前記第１の行と異なる第２の行に属する前記光電変換素子の前記光信号を読み出し、前記第２の単位読み出し期間よりも後の第３の単位読み出し期間において、前記第２の行に属する前記光電変換素子の前記リセット信号を読み出す第２の読み出し経路と、
を備える固体撮像素子。
請求項１〜請求項４のいずれかに記載の固体撮像素子を備えるカメラシステム。
蓄積される電荷量が入射される光に応じて変化する複数の光電変換素子が２次元的に配置された画素部に含まれる複数の行に属する前記光電変換素子において電荷の蓄積の開始及び終了が同時になされるように前記画素部を制御し、
連続する第１のフレーム及び第２のフレームのうち、前記第１のフレームに対応する光信号を前記光電変換素子に蓄積する第１の露光期間と、前記第１のフレームに続く前記第２のフレームに対応する光信号を前記光電変換素子に蓄積する第２の露光期間との間に設定される読み出し期間を複数に分割した単位読み出し期間において、前記光電変換素子の前記光信号を行単位で第１の読み出し経路で読み出し、
前記単位読み出し期間において、前記光信号を読み出す行と同一の行に属する前記光電変換素子のリセット信号を、前記第１の読み出し経路と異なる第２の読み出し経路で読み出す信号読み出し方法。
蓄積される電荷量が入射される光に応じて変化する複数の光電変換素子が２次元的に配置された画素部に含まれる複数の行に属する前記光電変換素子において電荷の蓄積の開始及び終了が同時になされるように前記画素部を制御し、
第１のフレームに対応する光信号を前記光電変換素子に蓄積する第１の露光期間と、前記第１のフレームに続く第２のフレームに対応する光信号を前記光電変換素子に蓄積する第２の露光期間との間に設定される読み出し期間を複数に分割した単位読み出し期間のうち、第１の単位読み出し期間において、第１の行に属する前記光電変換素子の前記光信号を第１の読み出し経路で読み出し、
前記第１の単位読み出し期間よりも後の第２の単位読み出し期間において、前記第１の行に属する前記光電変換素子のリセット信号を前記第１の読み出し経路で読み出すと共に、前記第１の行と異なる第２の行に属する前記光電変換素子の前記光信号を、前記第１の読み出し経路と異なる第２の読み出し経路で読み出し、
前記第２の単位読み出し期間よりも後の第３の単位読み出し期間において、前記第２の行に属する前記光電変換素子の前記リセット信号を前記第２の読み出し経路で読み出す信号読み出し方法。