JP2011114786A - 固体撮像装置およびカメラシステム - Google Patents

Abstract

【課題】従来の駆動方法よりも連写コマ数を多くすることができる固体撮像装置およびカメラシステムを提供する。
【解決手段】垂直走査回路300は、露光開始から次の露光開始までの期間である単位期間において画素部200の単位画素100を複数に分割した分割領域毎に光信号を読み出し、分割領域のうち、一部の分割領域のみ電荷保持部をリセットし、当該リセットを行った電荷保持部からリセット信号を読み出す制御を行い、且つリセット信号を読み出す分割領域を単位期間毎に変更する制御を行う。減算部620は、光信号と直前の単位期間で読み出した光信号もしくはリセット信号との差分をとった信号から撮像信号を生成する。
【選択図】図１

Description

本発明は、複数の画素が配置された固体撮像装置およびカメラシステムに関し、より詳細には、グローバルシャッタ機能を有する固体撮像装置およびカメラシステムに関する。

全画素の露光のタイミングを同一にするグローバルシャッタ機能を備えた固体撮像装置およびカメラシステムとして、様々な手法を適用したものが提案されている。例えば特許文献１には、リセット信号を読み出した後、全画素同一の露光期間が経過したら光信号を読み出し、外部で光信号とリセット信号の差分をとった信号を得ることによって、ノイズを抑圧しつつ、グローバルシャッタ機能を実現する方法が示されている。

この手法について、下記に具体的に説明する。図13は、特許文献１に係る固体撮像装置の構成を示している。図13に示す固体撮像装置は、画素部200、垂直走査回路300、列処理回路350、水平信号読み出し回路400、ADC500、およびノイズ抑圧回路600を備えている。画素部200は、複数の単位画素100が2次元状にマトリクス配置されて構成されている。図13では、一例として、単位画素100は3行3列に配列されている。

図12は単位画素100の構成を示している。単位画素100において、光電変換素子101はフォトダイオード等であり、入射する光に応じて、蓄積される電荷量が変化する。電荷保持部103は、光電変換素子101に蓄積された光電荷（信号電荷）を保持する。転送部102は、転送線112を介して印加される転送制御信号φTRi（i=1,2,3）に応じて光電変換素子101の光電荷を電荷保持部103に転送する。リセット部104は、FDリセット線111を介して印加されるリセット制御信号φRMi（i=1,2,3）に応じて電荷保持部103を電源電圧VDDにリセットすることにより、電荷保持部103に保持されている光電荷をリセットする。排出部107は、PDリセット線115を介して印加される排出制御信号φRPDi（i=1,2,3）に応じて光電変換素子101を電源電圧VDDにリセットすることにより、光電変換素子101に蓄積されている光電荷をリセットする。読み出し部105は、選択線113を介して印加される読み出し制御信号φSEi（i=1,2,3）に応じて電荷保持部103の電圧を読み出す。電源電圧VDDは、画素電源線110を介して単位画素100に印加される。

垂直走査回路300は行単位で画素部200の駆動制御を行う。この駆動制御を行うために、垂直走査回路300は、行数と同じ数の単位回路301-1，301-2，301-3から構成されている。また、各単位回路は、制御部302-i，303-i，304-i，305-i（i=1,2,3）から構成されている。

制御部302-i は、1行分の電荷保持部103をリセットするためのリセット制御信号φRMi（i=1,2,3）を行毎に独立して制御する。制御部303-i は、1行分の単位画素100の光電荷をそれぞれの単位画素100の電荷保持部103 に転送するための転送制御信号φTRi（i=1,2,3）を行毎に独立して制御する。制御部304-i は、1行分の光電変換素子101をリセットするための排出制御信号φRPDi（i=1,2,3）を行毎に独立して制御する。制御部305-i は、信号を読み出す1行分の単位画素100を選択するための読み出し制御信号φSEi（i=1,2,3）を行毎に独立して制御する。読み出し制御信号φSEiにより選択された行の単位画素100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。

列処理回路350は、垂直信号線114に出力される信号に対してクランプ動作や増幅動作を行う。水平信号読み出し回路400は、信号を読み出す画素列を選択して、その画素列に係る画素の信号を出力端子410から出力する。A/D変換器（以下、ADCとする）500は、出力端子410から出力された信号をA/D変換する。

ノイズ抑圧回路600は、ADC500から出力された信号のノイズを抑圧する。このノイズ抑圧回路600は、フレームメモリ610と減算器620とで構成されている。フレームメモリ610は、ADC500によりA/D変換された信号を記憶する。減算器620は、ADC500によりA/D変換された信号から、フレームメモリ610に記憶されている信号を減算し、撮像信号を生成する。

次に、図14に示すタイミングチャートを用いて、図13に示した固体撮像装置の1フレーム分の撮影に係る動作を説明する。ここでは、3行の単位画素100を配列した場合を例として説明する。

図14に示すように、撮像開始を示す信号が入力されると、まず全行の排出制御信号φRPD1、φRPD2、φRPD3がＬレベルからＨレベルになることで全ての単位画素100の排出部107がオンになり、全ての単位画素100の光電変換素子101が電源電圧にリセットされる。続いて、1行目のリセット制御信号φRM1がＬレベルからＨレベルになることで1行目のリセット部104がオンになり、1行目の電荷保持部103が電源電圧にリセットされる。続いて、1行目のリセット制御信号φRM1がＨレベルからＬレベルになることでリセット部104がオフになった後、1行目の読み出し制御信号φSE1がＬレベルからＨレベルになることで1行目の読み出し部105がアクティブになり、列処理回路350、水平信号読み出し回路400を介してリセット直後の電荷保持部103の電圧がリセット信号として読み出される。

読み出された1行分のリセット信号は、ADC500によりA/D変換される。A/D変換された1行分のリセット信号はフレームメモリ610に記憶される。この動作は順次全行（図14では3行）について行われ、最終行のリセット信号がフレームメモリ610に記憶された時点でリセット信号の読み出しの動作は終了する。撮像開始を示す信号が入力されてから、リセット信号の読み出しの動作が終了するまでの期間がリセット信号読み出し期間である。

このリセット信号の読み出しの動作が完了した後、排出制御信号φRPD1、φRPD2、φRPD3がＨレベルからＬレベルとなることにより全ての単位画素100の排出部107が同時にオフになる。これにより、全ての単位画素100の露光（電荷蓄積）が開始される。所定の露光時間を経た後、転送制御信号φTR1、φTR2、φTR3がＬレベルからＨレベルになり、全ての単位画素100の転送部102が同時にオンになることにより、光電変換素子101に蓄積された光電荷が一括して電荷保持部103に転送される。すなわち露光が終了する。露光開始（電荷の蓄積開始）から露光終了（電荷の蓄積終了）までの期間が露光期間である。

露光が終了すると、1行目から順に読み出し制御信号φSEiがＬレベルからＨレベルになることで読み出し部105がアクティブになり、列処理回路350、水平信号読み出し回路400を介して電荷保持部103の電圧が光信号として読み出される。読み出された1行分の光信号は、ADC500によりA/D変換される。

このとき、リセット信号読み出し期間でフレームメモリ610に記憶された1行目のリセット信号がフレームメモリ610から読み出され、減算器620で1行目の光信号から1行目のリセット信号が減算される。この動作は順次全行について行われ、最終行の光信号から最終行のリセット信号を減算した時点で終了する。露光期間が終了してから全行の光信号とリセット信号の減算が終了するまでの期間が光信号読み出し期間である。

次に、図15に示すタイミングチャートを用いて、図13に示した固体撮像装置の複数フレームの連写撮影に係る動作を説明する。最初の光信号読み出し期間が終了するまでの部分については、図14と同様なので説明は省略する。

最初の光信号読み出し期間が終了すると、すぐに次のリセット信号読み出し期間に入り、そのあと、２回目の露光期間、光信号読み出し期間が順に、1コマ目の撮影と同様に行われる。以降の動作についても同様なので説明は省略する。所定のコマの撮影を完了した時点で連写動作が終了する。

以上が、特許文献１に関わる画素を構成する信号の読み出し（ノイズの抑圧を含む）の手法である。この手法を用いることで、グローバルシャッタ機能を備えた固体撮像装置及びカメラシステムとして、連写動作を行うことが可能となる。

特開２００５−６５１８４号公報

しかしながら、この手法では、連写撮影の場合、ある露光期間から次の露光期間に入るまでの間に、光信号読み出し期間とリセット信号読み出し期間が必要なため、露光と露光の間隔が長くなり、連写コマ数が少なくなってしまうという問題が生じる。

本発明は、上述した課題に鑑みてなされたものであって、従来の駆動方法よりも連写コマ数を多くすることができる固体撮像装置およびカメラシステム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、光電変換素子と、前記光電変換素子に蓄積された信号電荷をリセットする第１のリセット部と、前記光電変換素子に蓄積された信号電荷を保持する電荷保持部と、前記光電変換素子に蓄積された信号電荷を前記電荷保持部に転送する転送部と、前記信号保持部に保持された信号電荷をリセットする第２のリセット部とを備えた画素を２次元状に配列した画素部を有し、所定領域の全画素の前記光電変換素子を一括してリセットし、当該リセットから露光期間が経過した後に、前記光電変換素子に蓄積された前記信号電荷を前記全画素で一括して前記電荷保持部に転送した後に、前記電荷保持部に転送された前記信号電荷に応じた光信号を読み出すことを連続して行う固体撮像装置であって、露光開始から次の露光開始までの期間である単位期間において、前記画素部の画素を複数に分割した分割領域毎に前記光信号を読み出し、前記分割領域のうち、一部の分割領域のみ前記電荷保持部をリセットし、当該リセットを行った前記電荷保持部からリセット信号を読み出す制御を行い、且つ前記リセット信号を読み出す分割領域を前記単位期間毎に変更する制御を行う信号読み出し制御部と、前記光信号と直前の前記単位期間で読み出した前記光信号もしくは前記リセット信号との差分をとった信号から撮像信号を生成する差分処理部と、を有することを特徴とする固体撮像装置である。

また、本発明の固体撮像装置において、前記読み出し制御部はさらに、第１の単位期間で前記光信号もしくは前記リセット信号を読み出してから、前記第１の単位期間に続く第２の単位期間で前記光信号を読み出すまでの時間が前記全画素で略同一となる制御を行うことを特徴とする。

また、本発明の固体撮像装置は、撮影条件に応じて、前記分割領域を決定する第１の決定部をさらに有することを特徴とする。

また、本発明の固体撮像装置は、撮影条件に応じて、前記単位期間で前記電荷保持部をリセットする前記分割領域を決定することにより、前記分割領域毎に前記リセット信号の読み出し周期を決定する第２の決定部をさらに有することを特徴とする。

また、本発明は、上記の固体撮像装置を備えることを特徴とするカメラシステムである。

本発明によれば、リセット信号と光信号の読み出し動作を分割領域単位で行い、単位期間内での電荷保持部のリセット動作およびリセット信号の読み出し動作を一部の分割領域のみ行い、且つリセット信号の読み出し動作を行う分割領域を単位期間毎に変えることによって、単位期間内でリセット信号を読み出す画素領域が小さくなる。これによって、リセット信号の読み出し期間が短縮され、露光と露光の間隔が短くなるので、連写コマ数を多くすることができる。

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装置の動作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装置の動作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装置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装置の動作を示すフローチャートである。 本発明の第3の実施形態で撮影される被写体を示す参考図である。 本発明の第3の実施形態における画素領域の分割方法を示す参考図である。 本発明の第3の実施形態による固体撮像装置の動作を示すタイミングチャートである。 本発明の第3の実施形態で撮影される被写体および画素領域の分割方法を示す参考図である。 本発明の第3の実施形態による固体撮像装置の動作を示すタイミングチャートである。 本発明の第1〜第3の実施形態による固体撮像装置を用いたカメラシステムの構成を示すブロック図である。 固体撮像装置が有する単位画素の構成を示す回路図である。 従来の固体撮像装置の構成を示すブロック図である。 従来の固体撮像装置の動作を示すタイミングチャートである。 従来の固体撮像装置の動作を示すタイミングチャートである。

以下、図面を参照し、本発明の実施形態を説明する。

（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、本実施形態による固体撮像装置の構成を示している。図1に示す固体撮像装置は、図12に示す単位画素100を4行4列配列した構成となっており、図13に示した固体撮像装置とは単位画素100の配列数が異なるだけなので、構成の詳細な説明は省略する。

次に、図2に示すタイミングチャートを参照して、図1に示した固体撮像装置の動作を説明する。ここでは、4行の単位画素100を配列した場合を例として説明する。以下で説明するように、画素部200では、垂直走査回路300が出力する各制御信号によって、露光開始から次の露光開始までの単位期間である1フレームにおいて、行毎に光信号を読み出し、その後、一部の行のみ電荷保持部103をリセットしてリセット信号を読み出す制御が行われると共に、リセット信号を読み出す行をフレーム毎に変更する制御が行われる。

＜最初のリセット信号読み出し期間＞
図2に示すように、撮像開始を示す信号が入力されると、まず全行の排出制御信号φRPD1、φRPD2、φRPD3がＬレベルからＨレベルになることで全ての単位画素100の排出部107がオンになり、全ての単位画素100の光電変換素子101が電源電圧にリセットされる。続いて、1行目のリセット制御信号φRM1がＬレベルからＨレベルになることで1行目のリセット部104がオンになり、1行目の電荷保持部103が電源電圧にリセットされる。

続いて、1行目のリセット制御信号φRM1がＨレベルからＬレベルになることでリセット部104がオフになった後、1行目の読み出し制御信号φSE1がＬレベルからＨレベルになることで1行目の読み出し部105がアクティブになり、列処理回路350、水平信号読み出し回路400を介してリセット直後の電荷保持部103の電圧がリセット信号として読み出される。

読み出された1行分のリセット信号は、ADC500によりA/D変換される。A/D変換された1行分のリセット信号は、フレームメモリ610に記憶される。1行目、3行目という順で上記の動作が奇数行について先に行われ、奇数行のリセット信号の読み出しが行われる。奇数行のリセット信号の読み出しが完了した後、2行目、4行目という順で偶数行のリセット信号の読み出しが行われる。撮像開始を示す信号が入力されてから、リセット信号の読み出しの動作が終了するまでの期間がリセット信号読み出し期間である。

＜1フレーム目：露光＞
リセット信号の読み出しが完了すると、排出制御信号φRPD1、φRPD2、φRPD3がＨレベルからＬレベルになることにより全ての単位画素100の排出部107が同時にオフになる。これにより、全ての単位画素100の露光（電荷蓄積）が開始される。所定の露光期間を経た後、転送制御信号φTR1、φTR2、φTR3がＬレベルからＨレベルになり、全ての単位画素100の転送部102が同時にオンになることにより、光電変換素子101に蓄積された光電荷が一括して電荷保持部103に転送される。すなわち露光が終了する。露光開始（電荷の蓄積開始）から露光終了（電荷の蓄積終了）までの期間が露光期間である。

＜1フレーム目：光信号読み出し＞
露光が終了すると、1行目の読み出し制御信号φSE1がＬレベルからＨレベルになることで読み出し部105がアクティブになり、列処理回路350、水平信号読み出し回路400を介して電荷保持部103の電圧が光信号として読み出される。読み出された1行分の光信号は、ADC500によりA/D変換される。

このとき、露光前のリセット信号読み出し期間でフレームメモリ610に記憶された1行目のリセット信号がフレームメモリ610から読み出され、減算器620で1行目の光信号から1行目のリセット信号が減算され、撮像信号として出力される。この動作はリセット信号の読み出しと同様の順（1行目、3行目、2行目、4行目）で行われ、全ての単位画素100について撮像信号が出力される。また、このとき読み出された光信号は新たにフレームメモリ610に記憶される。1行目の光信号の読み出しの動作開始から全行の撮像信号の出力と光信号のフレームメモリ610への記憶が完了するまでの期間が光信号読み出し期間である。

＜1フレーム目：リセット信号読み出し＞
1フレーム目のリセット信号読み出し期間では、奇数行のみリセット信号の読み出しが行われる。読み出されたリセット信号は、ADC500によりA/D変換された後、フレームメモリ610に記憶される。このとき、読み出した行に対応するフレームメモリ610内のリセット信号が上書き保存される。

＜2フレーム目：露光＞
2フレーム目の露光の駆動は1フレーム目の露光と同様に行われる。

＜2フレーム目：光信号読み出し＞
2フレーム目の光信号の読み出しは、偶数行、奇数行の順で行われる。このとき、2フレーム目で読み出された光信号から、1フレーム目でフレームメモリ610に記憶された信号（奇数行：リセット信号、偶数行：光信号）が減算器620で減算され、撮像信号として出力される。同時に、2フレーム目で読み出された光信号はフレームメモリ610に上書き保存される。

奇数行については、2フレーム目で読み出された光信号と、1フレーム目で読み出されたリセット信号との差分を求めることにより、2フレーム目の露光期間で光電変換素子101に蓄積された光電荷に対応した撮像信号が得られる。また、偶数行については、2フレーム目で読み出された光信号は、1フレーム目の露光期間で光電変換素子101に蓄積された光電荷と2フレーム目の露光期間で光電変換素子101に蓄積された光電荷との和に対応した信号となる。このため、偶数行については、2フレーム目で読み出された光信号と、1フレーム目で読み出された光信号との差分を求めることにより、2フレーム目の露光期間で光電変換素子101に蓄積された光電荷に対応した撮像信号が得られる。

＜2フレーム目：リセット信号読み出し＞
2フレーム目のリセット信号読み出し期間では、偶数行のみリセット信号の読み出しが行われる。読み出されたリセット信号は、ADC500によりA/D変換された後、フレームメモリ610に記憶される。このとき、読み出した行に対応するフレームメモリ610内のリセット信号が上書き保存される。

＜3フレーム目：露光＞
3フレーム目の露光の駆動は1,2フレーム目の露光と同様に行われる。

＜3フレーム目：光信号読み出し＞
3フレーム目の光信号の読み出しは、奇数行、偶数行の順で行われる。このとき、3フレーム目で読み出された光信号から、2フレーム目でフレームメモリ610に記憶された信号（奇数行：光信号、偶数行：リセット信号）が減算器620で減算され、撮像信号として出力される。同時に、3フレーム目で読み出された光信号はフレームメモリ610に上書き保存される。

奇数行については、3フレーム目で読み出された光信号は、2フレーム目の露光期間で光電変換素子101に蓄積された光電荷と3フレーム目の露光期間で光電変換素子101に蓄積された光電荷との和に対応した信号となる。このため、奇数行については、3フレーム目で読み出された光信号と、2フレーム目で読み出された光信号との差分を求めることにより、3フレーム目の露光期間で光電変換素子101に蓄積された光電荷に対応した撮像信号が得られる。また、偶数行については、3フレーム目で読み出された光信号と、2フレーム目で読み出されたリセット信号との差分を求めることにより、3フレーム目の露光期間で光電変換素子101に蓄積された光電荷に対応した撮像信号が得られる。

＜3フレーム目：リセット信号読み出し＞
3フレーム目のリセット信号読み出し期間では、1フレーム目のリセット信号読み出し期間と同様に奇数行のみリセット信号の読み出しが行われる。読み出されたリセット信号は、ADC500によりA/D変換された後、フレームメモリ610に記憶される。このとき、読み出した行に対応するフレームメモリ610内のリセット信号が上書き保存される。

これ以降、4、6、8・・・フレーム目については2フレーム目と同様の動作が行われ、5、7、9・・・フレーム目については3フレーム目と同様の動作が行われる。以上の動作は、連写するフレーム数だけ繰り返され、最終フレームの光信号の読み出しまで完了した時点で終了する。

上述したように、本実施形態によれば、画素領域を複数の分割領域（本実施形態では奇数行と偶数行）に分け、リセット信号と光信号の読み出し動作をそれぞれの分割領域単位で行う。また、1フレーム期間内でのリセット動作およびリセット信号読み出し動作を1つの分割領域のみ行い、かつフレームごとにリセット動作およびリセット信号読み出し動作を行う分割領域を変えるようにした。それゆえ、1フレーム期間内でリセット信号を読み出す画素領域を小さくする、すなわち画素数を少なくすることができ、リセット信号読み出し期間が短縮されるので、露光と露光の間隔が短くなり、連写コマ数を多くすることが可能となる。また、フレームごとにリセット信号を読み出す分割領域を変えることで、全ての単位画素100を周期的にリセットすることが可能となる。

さらに、リセット信号を読み出す分割領域をフレーム毎に変更することに対応させて、1フレーム期間内での光信号の読み出しを行う分割領域の順序をフレーム毎に変えているので、撮像信号を形成するために差分処理に用いるリセット信号もしくは光信号を読み出す間隔が全分割領域で一定となる。例えば、図2において、奇数行について1フレーム目でリセット信号が読み出されてから2フレーム目で光信号が読み出されるまでの期間と、偶数行について1フレーム目で光信号が読み出されてから2フレーム目で光信号が読み出されるまでの期間とが等しい。また、これらの期間は、奇数行について2フレーム目で光信号が読み出されてから3フレーム目で光信号が読み出されるまでの期間、および偶数行について2フレーム目でリセット信号が読み出されてから3フレーム目で光信号が読み出されるまでの期間とも等しい。これにより、電荷保持部103で蓄積される暗電流が全分割領域でほぼ同一となり、暗電流の不均一性に起因するシェーディングを抑制することができるので、より高画質の撮像信号を得ることも可能となる。

また、本実施形態では、4行4列の単位画素100を配列した構成の信号の読み出しを偶数行と奇数行に分割して行う2フィールド読み出しの例を示したが、実施の形態はこれに限らない。例えば、画素数がさらに多い場合は、画素領域を、1,4,7,・・・行目、2,5,8・・・行目、3,6,9・・・行目と分割して3フィールド読み出しを実施することや、フィールド数を4以上に増やして実施することも可能である。フィールド数を増やした場合の実施についても、撮像信号を形成するためのリセット信号もしくは光信号を読み出す間隔を全分割領域で一定とすることで、暗電流に起因するシェーディングを抑圧することができる。

（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。本実施形態による固体撮像装置の構成は第1の実施形態と同じなので説明は省略する。ただし、画素領域の分割方法は第1の実施形態と異なる。

以下、図3に示すタイミングチャートを参照して、図1に示した固体撮像装置の動作を説明する。ここでは、4行の画素を配列した場合を例として説明する。

＜最初のリセット信号読み出し期間＞
図3に示すように、撮像開始を示す信号が入力されると、まず全行の排出制御信号φRPD1、φRPD2、φRPD3がＬレベルからＨレベルになることで全ての単位画素100の排出部107がオンになり、全ての単位画素100の光電変換素子101が電源電圧にリセットされる。続いて、1行目のリセット制御信号φRM1がＬレベルからＨレベルになることで1行目のリセット部104がオンになり、1行目の電荷保持部103が電源電圧にリセットされる。

続いて、1行目のリセット制御信号φRM1がＨレベルからＬレベルになることでリセット部104がオフになった後、1行目の読み出し制御信号φSE1がＬレベルからＨレベルになることで1行目の読み出し部105がアクティブになり、列処理回路350、水平信号読み出し回路400を介してリセット直後の電荷保持部103の電圧がリセット信号として読み出される。

読み出された１行分のリセット信号は、ADC500によりA/D変換される。A/D変換された１行分のリセット信号は、フレームメモリ610に記憶される。1行目、2行目という順で上記の動作が上半分の画素領域について先に行われ、上半分の画素領域のリセット信号の読み出しが行われる。上半分の画素領域のリセット信号の読み出しが完了した後、3行目、4行目という順で下半分の画素領域のリセット信号の読み出しが行われる。撮像開始を示す信号が入力されてから、リセット信号の読み出しの動作が終了するまでの期間がリセット信号読み出し期間である。

＜1フレーム目：露光＞
リセット信号の読み出しが完了すると、排出制御信号φRPD1、φRPD2、φRPD3がＨレベルからＬレベルになることにより全ての単位画素100の排出部107が同時にオフになる。これにより、全ての単位画素100の露光（電荷蓄積）が開始される。所定の露光期間を経た後、転送制御信号φTR1、φTR2、φTR3がＬレベルからＨレベルになり、全ての単位画素100の転送部102が同時にオンになることにより、光電変換素子101に蓄積された光電荷が一括して電荷保持部103に転送される。すなわち露光が終了する。露光開始（電荷の蓄積開始）から露光終了（電荷の蓄積終了）までの期間が露光期間である。

＜1フレーム目：光信号読み出し＞
露光が終了すると、1行目の読み出し制御信号φSE1がＨレベルになることで読み出し部105がアクティブになり、列処理回路350、水平信号読み出し回路400を介して電荷保持部103の電圧が光信号として読み出される。読み出された1行分の光信号は、ADC500によりA/D変換される。

このとき、露光前のリセット信号読み出し期間でフレームメモリ610に記憶された1行目のリセット信号がフレームメモリ610から読み出され、減算器620で1行目の光信号から1行目のリセット信号が減算され、撮像信号として出力される。この動作はリセット信号の読み出しと同様の順（1行目、2行目、3行目、4行目）で行われ、全ての単位画素100について撮像信号が出力される。また、このとき読み出された光信号は新たにフレームメモリ610に記憶される。1行目の光信号の読み出しの動作開始から全行の撮像信号の出力と光信号のフレームメモリ610への記憶が完了するまでの期間が光信号読み出し期間である。

＜1フレーム目：リセット信号読み出し＞
1フレーム目のリセット信号読み出し期間では、上半分の画素領域のみリセット信号の読み出しが行われる。読み出されたリセット信号は、ADC500によりA/D変換された後、フレームメモリ610に記憶される。このとき、読み出した行に対応するフレームメモリ610内のリセット信号が上書き保存される。

＜2フレーム目：露光＞
2フレーム目の露光の駆動は1フレーム目の露光と同様に行われる。

＜2フレーム目：光信号読み出し＞
2フレーム目の光信号の読み出しは、下半分の画素領域、上半分の画素領域の順で行われる。このとき、2フレーム目で読み出された光信号から、1フレーム目でフレームメモリ610に記憶された信号（上半分の画素領域：リセット信号、下半分の画素領域：光信号）が減算器620で減算され、撮像信号として出力される。同時に、2フレーム目で読み出された光信号はフレームメモリ610に上書き保存される。

上半分の画素領域については、2フレーム目で読み出された光信号と、1フレーム目で読み出されたリセット信号との差分を求めることにより、2フレーム目の露光期間で光電変換素子101に蓄積された光電荷に対応した撮像信号が得られる。また、下半分の画素領域については、2フレーム目で読み出された光信号は、1フレーム目の露光期間で光電変換素子101に蓄積された光電荷と2フレーム目の露光期間で光電変換素子101に蓄積された光電荷との和に対応した信号となる。このため、下半分の画素領域については、2フレーム目で読み出された光信号と、1フレーム目で読み出された光信号との差分を求めることにより、2フレーム目の露光期間で光電変換素子101に蓄積された光電荷に対応した撮像信号が得られる。

＜2フレーム目：リセット信号読み出し＞
2フレーム目のリセット信号読み出し期間では、下半分の画素領域のみリセット信号の読み出しが行われる。読み出されたリセット信号は、ADC500によりA/D変換された後、フレームメモリ610に記憶される。このとき、読み出した行に対応するフレームメモリ610内のリセット信号が上書き保存される。

＜3フレーム目：露光＞
3フレーム目の露光の駆動は1,2フレーム目の露光と同様に行われる。

＜3フレーム目：光信号読み出し＞
3フレーム目の光信号の読み出しは、上半分の画素領域、下半分の画素領域の順で行われる。このとき、3フレーム目で読み出された光信号から、2フレーム目でフレームメモリ610に記憶された信号（上半分の画素領域：光信号、下半分の画素領域：リセット信号）が減算器620で減算され、撮像信号として出力される。同時に、3フレーム目で読み出された光信号はフレームメモリ610に上書き保存される。

上半分の画素領域については、3フレーム目で読み出された光信号は、2フレーム目の露光期間で光電変換素子101に蓄積された光電荷と3フレーム目の露光期間で光電変換素子101に蓄積された光電荷との和に対応した信号となる。このため、上半分の画素領域については、3フレーム目で読み出された光信号と、2フレーム目で読み出された光信号との差分を求めることにより、3フレーム目の露光期間で光電変換素子101に蓄積された光電荷に対応した撮像信号が得られる。また、下半分の画素領域については、3フレーム目で読み出された光信号と、2フレーム目で読み出されたリセット信号との差分を求めることにより、3フレーム目の露光期間で光電変換素子101に蓄積された光電荷に対応した撮像信号が得られる。

＜3フレーム目：リセット信号読み出し＞
3フレーム目のリセット信号読み出し期間では、1フレーム目のリセット信号読み出し期間と同様に上半分の画素領域のみリセット信号の読み出しが行われる。読み出されたリセット信号は、ADC500によりA/D変換された後、フレームメモリ610に記憶される。このとき、読み出した行に対応するフレームメモリ610内のリセット信号が上書き保存される。

これ以降、4、6、8・・・フレーム目については2フレーム目と同様の動作が行われ、5、7、9・・・フレーム目については3フレーム目と同様の動作が行われる。以上の動作は、連写するフレーム数だけ繰り返され、最終フレームの光信号の読み出しまで完了した時点で終了する。

上述したように、本実施形態によれば、画素領域を複数の分割領域（本実施形態では上半分の画素領域と下半分の画素領域）に分け、リセット信号と光信号の読み出し動作をそれぞれの分割領域単位で行う。また、1フレーム期間内でのリセット動作およびリセット信号読み出し動作を1つの分割領域のみ行い、かつフレームごとにリセット動作およびリセット信号読み出し動作を行う分割領域を変えるようにした。それゆえ、1フレーム期間内でリセット信号を読み出す画素領域を小さくする、すなわち画素数を少なくすることができ、リセット信号読み出し期間が短縮されるので、露光と露光の間隔が短くなり、連写コマ数を多くすることが可能となる。また、フレームごとにリセット信号を読み出す分割領域を変えることで、全ての単位画素100を周期的にリセットすることが可能となる。

さらに、リセット信号を読み出す分割領域をフレーム毎に変更することに対応させて、1フレーム期間内での光信号の読み出しを行う分割領域の順序をフレーム毎に変えているので、撮像信号を形成するために差分処理に用いるリセット信号もしくは光信号を読み出す間隔が全分割領域で一定となる。例えば、図3において上半分の画素領域について1フレーム目でリセット信号が読み出されてから2フレーム目で光信号が読み出されるまでの期間と、下半分の画素領域について1フレーム目で光信号が読み出されてから2フレーム目で光信号が読み出されるまでの期間とが等しい。また、これらの期間は、上半分の画素領域について2フレーム目で光信号が読み出されてから3フレーム目で光信号が読み出されるまでの期間、および下半分の画素領域について2フレーム目でリセット信号が読み出されてから3フレーム目で光信号が読み出されるまでの期間とも等しい。これにより、電荷保持部103で蓄積される暗電流が全分割領域でほぼ同一となり、暗電流の不均一性に起因するシェーディングを抑制することができるので、より高画質の撮像信号を得ることも可能となる。

また、本実施形態では、4行4列の単位画素100を配列した構成の信号の読み出しを上半分の画素領域と下半分の画素領域に2分割して行うブロック読み出しの例を示したが、実施の形態はこれに限らない。例えば、画素数がさらに多い場合は、画素領域を垂直方向に3等分して各画素領域の信号についてブロック読み出しを実施することや、分割数を4以上に増やして実施することも可能である。分割数を増やした場合の実施についても、撮像信号を形成するためのリセット信号もしくは光信号を読み出す間隔を全分割領域で一定とすることで、暗電流に起因するシェーディングを抑圧することができる。

なお、領域の分割に関して、第1、第2の実施形態では行方向に分割を行ったが、列方向に分割を行うことや、行方向の分割と列方向の分割を組み合わせることも可能である。

（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4は、本実施形態による固体撮像装置の構成を示している。本実施形態の固体撮像装置は、コントローラ700を備えている点で、第1、第2の実施形態に示した固体撮像装置（図1）とは異なる。コントローラ700は、固体撮像装置の後段に設けられた不図示の画像処理回路等から被写体の位置と明るさの情報を受け取り、その情報に基づき垂直走査回路300を制御する。

次に、図5を参照して、第3の実施形態の動作を説明する。図5において、撮影開始の前指示（例えばシャッタの半押しに相当）等によって処理は開始される。処理が開始されると、まず、コントローラ700に被写体の位置と明るさの情報が送信される（ステップS1)。

ここでは一例として、図6に示された被写体が撮影されるものとする。図6に示すように、主要被写体が画面内の上下方向の中央に並んでいる。また、主要被写体は、背景もしくは他の被写体よりもほぼ2倍明るくなっているとする。

ステップS1に続いて、コントローラ700は、被写体の位置情報に基づき、信号を読み出す単位となる画素領域の分割方法を決定する（ステップS2）。図6に示す被写体を撮像する場合の分割方法を図7に示す。主要被写体は画面内の上下方向の中央に配置されているので、主要被写体が1つの領域内に納まるように、全領域を、図7に示すような３つの分割領域A、B、Cに分割（全領域を垂直方向に3等分）する。

分割領域間では、光信号およびリセット信号の読み出しタイミングに差があるため、画像において、分割領域の境界に段差が生じる可能性がある。また、明るい主要被写体が複数の分割領域にまたがっていると、段差はより顕著になる。このため、図7に示すように画素領域を分割することにより、分割領域の境界に生じる可能性のある段差が主要被写体中で発生するのを確実に防ぐことが可能となる。

ステップS2に続いて、コントローラ700は、被写体の明るさの情報に基づき、それぞれの分割領域でのリセット信号の読み出しを行う周期を決定する（ステップS3）。ここで、図6の主要被写体の明るさは、背景もしくは他の被写体に対して約2倍明るいので、各分割領域でリセット信号の読み出しを行う周期は、領域Bに対して領域A、Cが2倍となるように設定される。これによって、それぞれの分割領域での電荷保持部103での飽和をほぼ均等に揃えることが可能となる。

ステップS3に続いて、コントローラ700は、ステップS2で決定された分割領域、およびステップS3で決定されたそれぞれの分割領域でのリセット信号の読み出しの周期に応じて駆動方法を決定する（ステップS4）。

図8は、上記のようにして決定された分割領域およびリセット信号の読み出し周期を満たす駆動タイミング（各分割領域で読み出す光信号とリセット信号のタイミング）を示している。図中の実線の矢印は光信号の読み出しを示し、破線の矢印はリセット信号の読み出しを示している。

ステップS4に続いて、撮影開始の指示（例えばシャッタの全押しに相当）等に基づき、コントローラ700が、ステップS4で決定した駆動方法で駆動されるように垂直走査回路300を制御することで撮影が行われる。

上述したように、本実施形態によれば、撮影条件に応じて分割領域を変えることで、分割領域の境界に生じる可能性のある段差が主要被写体中で発生するのを確実に防ぐことが可能となる。また、撮影条件に応じて分割領域毎にリセット信号の読み出し周期を変えることで、各分割領域の入射光量に応じてリセット動作を行うことが可能となるので、各分割領域の電荷保持部103での飽和を均等に揃えることが可能となる。

また、本実施形態では、撮影した被写体の一例を図6に示し、画像領域の分割方法を図7に示したが、実施の形態はこれに限らない。図9は、被写体および画像領域の分割方法の他の例を示している。

図9 (a)は、画面の上下に分かれて主要被写体が配置された場合を示している。この場合には、第2の実施形態で示したように、画像領域を上領域Dと下領域Eに2等分する分割方法を用いることで、上下に分かれた被写体をそれぞれ1つの分割領域内に収めることが可能である。

図9 (b)は、画面上のいたるところに様々な被写体が分布した場合を示している。この場合には、第1の実施形態で示したように、画像領域を奇数行からなる領域Fと偶数行からなる領域Gとに分割する方法を採用する。

また、本実施形態では、駆動方法の一例を図8に示したが、実施の形態はこれに限らず、以下のような駆動方法をとることもできる。図8に示した駆動タイミングでは、撮像信号を形成するためのリセット信号もしくは光信号を読み出す間隔がフレーム間で一定ではない。例えば、図8に示すように分割領域Cでは、撮像信号を形成するための差分処理に使用されるリセット信号もしくは光信号の読み出し間隔が一定になっていない（T1≠T2）。そこで、時間調整のためのブランク期間をリセット信号もしくは光信号の読み出し期間の途中に挿入することで、リセット信号もしくは光信号を読み出す間隔をフレーム間で一定とすることができる。

図10は、ブランク期間を挿入した駆動タイミングの例を示している。図10は、図8において、全てのリセット信号もしくは光信号を読み出す間隔が最大間隔（領域Aの5フレーム目の露光期間の前後の光信号の読み出し間隔と、領域Cの3フレーム目の露光期間の前後の光信号の読み出し間隔）に揃うように、各フレーム期間中にブランク期間を挿入したものである。これにより、電荷保持部103で蓄積される暗電流は、第1、第2の実施形態と同様に全分割領域でほぼ同一となり、暗電流の不均一性に起因するシェーディングを抑制することができるので、より高画質の撮像信号を得ることが可能となる。

（カメラシステム）
最後に、本発明の第1の実施形態から第3の実施形態で説明した固体撮像装置を用いたカメラシステムを説明する。図11は、カメラシステムの構成例を示している。このカメラシステムは、撮像レンズ系41、固体撮像装置42、画像処理回路43、記憶媒体44、操作部45、および制御部46を有している。

撮像レンズ系41は、被写体像を固体撮像装置42の２次元画素アレイ上に結像する。固体撮像装置42は、グローバルシャッタ機能、撮像信号形成のためのリセット信号もしくは光信号の差分信号出力機能を有している。画像処理回路43は、固体撮像装置42の出力データに対して、色信号処理、ゲイン処理、ホワイトバランス処理、顔検出などの信号処理を施し、記憶媒体44に記憶できるフォーマットに変換する機能を有する。記憶媒体44は、画像データを記憶するための固体メモリなどである。

また、操作部45は、撮影開始などの操作を行うためのシャッターボタンなどから構成されている。ユーザがこの操作部45を操作することにより、露光開始の前指示が入力され、画像処理回路43を介して、被写体に関する位置と明るさの情報が取得される。そして、取得した被写体の情報に基づき、制御部46によってカメラシステムの制御方法が決定される。そのあと、露光開始の指示を受けることで、制御部46の制御にしたがって撮影が行われる。カメラシステムにおいては、ほかに表示パネルなどがあってもよい。

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。

41・・・撮像レンズ系、42・・・固体撮像装置、43・・・画像処理回路、44・・・記憶媒体、45・・・操作部、46・・・制御部、101・・・光電変換素子、102・・・転送部、103・・・電荷保持部、104・・・リセット部、105・・・読み出し部、107・・・排出部、200・・・画素部、300・・・垂直走査回路、350・・・列処理回路、400・・・水平信号読み出し回路、500・・・ ADC、600・・・ノイズ抑圧回路、610・・・フレームメモリ、620・・・減算器、700・・・コントローラ

Claims (5)

1. 光電変換素子と、前記光電変換素子に蓄積された信号電荷をリセットする第１のリセット部と、前記光電変換素子に蓄積された信号電荷を保持する電荷保持部と、前記光電変換素子に蓄積された信号電荷を前記電荷保持部に転送する転送部と、前記電荷保持部に保持された信号電荷をリセットする第２のリセット部とを備えた画素を２次元状に配列した画素部を有し、
   所定領域の全画素の前記光電変換素子を一括してリセットし、当該リセットから露光期間が経過した後に、前記光電変換素子に蓄積された前記信号電荷を前記全画素で一括して前記電荷保持部に転送した後に、前記電荷保持部に転送された前記信号電荷に応じた光信号を読み出すことを連続して行う固体撮像装置であって、
   露光開始から次の露光開始までの期間である単位期間において、前記画素部の画素を複数に分割した分割領域毎に前記光信号を読み出し、前記分割領域のうち、一部の分割領域のみ前記電荷保持部をリセットし、当該リセットを行った前記電荷保持部からリセット信号を読み出す制御を行い、且つ前記リセット信号を読み出す分割領域を前記単位期間毎に変更する制御を行う信号読み出し制御部と、
   前記光信号と直前の前記単位期間で読み出した前記光信号もしくは前記リセット信号との差分をとった信号から撮像信号を生成する差分処理部と、
   を有することを特徴とする固体撮像装置。
2. 前記読み出し制御部はさらに、第１の単位期間で前記光信号もしくは前記リセット信号を読み出してから、前記第１の単位期間に続く第２の単位期間で前記光信号を読み出すまでの時間が前記全画素で略同一となる制御を行うことを特徴とする請求項１に記載の固体撮像装置。
3. 撮影条件に応じて、前記分割領域を決定する第１の決定部をさらに有することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の固体撮像装置。
4. 撮影条件に応じて、前記単位期間で前記電荷保持部をリセットする前記分割領域を決定することにより、前記分割領域毎に前記リセット信号の読み出し周期を決定する第２の決定部をさらに有することを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれかに記載の固体撮像装置。
5. 請求項１〜請求項４のいずれかに記載の固体撮像装置を備えることを特徴とするカメラシステム。

Images