JP2013141301A

JP2013141301A - 撮像装置及び撮像システム

Info

Publication number: JP2013141301A
Application number: JP2013048103A
Authority: JP
Inventors: Takanori Watanabe; 高典渡邉; Masato Shinohara; 真人篠原; Tetsuya Itano; 哲也板野
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 2005-06-09
Filing date: 2013-03-11
Publication date: 2013-07-18
Anticipated expiration: 2026-05-26
Also published as: JP5340374B2; JP5627728B2; JP2012085343A

Abstract

【課題】高輝度時の画像信号の出力低下を低減し、高輝度画素と同時に読み出される同一行画素の出力変動を低減することを課題とする。
【解決手段】光を電荷に変換する光電変換素子（１０２）と、変換された電荷をフローティングノードに転送するための転送ゲート（１０４）と、フローティングノードの電位を信号線に出力するためのソースフォロワトランジスタ（１０７）と、信号線の電位を出力する際に信号線を第１および第２の電位に制限可能なクリップ回路とを有する撮像装置が提供される。
【選択図】図１

Description

本発明は、撮像装置及び撮像システムに関する。

近年、撮像装置の進歩により、より高画質で安価なデジタルカメラが普及している。特に画素内に能動素子を持ち、周辺回路をオンチップ化できるＣＭＯＳセンサの性能向上はめざましく、一部ＣＣＤセンサに置き換わってきている。ＣＭＯＳセンサでは画素ごとに電荷を光信号出力に変換するためのアクティブ素子をもっているが、画素ごとの閾値ばらつきや、リセット時のｋＴＣノイズ（熱ノイズ）が画像の固定パターンノイズやランダムノイズの原因となる。これらのノイズを取り除くためにリセット後のリセットノイズ出力と電荷転送後の出力の差分を求めることで画像信号となる光信号のみを読み出すＣＤＳ（ｃｏｒｒｅｌａｔｅｄｄｏｕｂｌｅｓａｍｐｌｉｎｇ）が提案されている。

ＣＤＳを行うＣＭＯＳセンサを用いて撮影を行う場合の問題点を以下に説明する。撮影領域内に非常に明るい光源が写っている場合、その場所の電荷変換部上にも強い光があたることになる。そのため、リセットノイズ出力が変動し、ダイナミックレンジを圧迫してしまう。結果として、強い光があたった画素においてはかえって画像信号の出力が下がるという現象が発生する（以下、高輝度時の画像信号の出力低下と呼ぶ）。例えば太陽を撮影した場合には太陽の中心部分が黒い点となり不自然な画像になる。この問題はメカニカルシャッターをつけることで静止画では解決できる。しかし、動画撮影時にはメカニカルシャッターを併用することは露光時間、コマ速を確保する上で大きなデメリットとなるため、解決手段としては実現性が低い。また、静止画撮影時においても安価なカメラではメカニカルシャッターを省略する場合が多く、この問題が発生してしまう。このような問題に鑑み、高輝度時の画像信号の出力低下を抑制する方法が提案されている。

下記の特許文献１では、リセットノイズ読み出し時の出力変動を検出し、高輝度であると判定される場合にリセットノイズ出力として所定の値を書き込む事が提案されている。この提案によると、電荷転送後の出力の読み出し時においては、高輝度時の画像信号の出力低下防止回路はカットオフ状態にあり、特に画像に影響を与えない。

特開２０００−２８７１３１号公報

しかしながら、高輝度時においては強い光があたった画素以外の画像領域にも、その影響が出る場合がある。図３は従来のＣＭＯＳセンサの説明図である。３０１〜３０３はそれぞれ単位画素セルであり、二次元に配列されている。３０４、３０５は列毎に設けられた定電流源であり、画素セル３０１〜３０３の中にあるソースフォロワ用のトランジスタとともにソースフォロワアンプを構成する。定電流源３０４，３０５には共通のゲート電位３０７が与えられ、また共通の電源配線３０６が接続されている。各画素３０１〜３０３の信号は、行毎に出力端子３０８、３０９から読み出される。画素３０２に飽和出力以上の強い光があたった時、出力端子３０８の電位が下がり、定電流源３０４の動作範囲を逸脱する。その結果、定電流源３０４には所定の電流は流れなくなり、電源配線３０６に流れる電流量が減少する。この電流の変動により他の列の定電流源３０５が影響を受け、出力端子３０９の電位が変動し、画像へ影響を与える場合がある。それを、ウインドウチャート撮像時の模式図の図４を用いて説明する。４０１はダークもしくは飽和していない出力領域であり、図３の３０１の画素に相当する。４０２には飽和出力以上の光が照射されており、図３の３０２に相当する。４０３は４０１と同様の光が照射されている領域であり図３の３０３に相当する。飽和領域４０２の影響を受け４０３の出力が変動するため、横方向に筋状の画像が形成されることがある。

本発明は、上記２つの課題、すなわち、高輝度時の画像信号の出力の低下を防止し、高輝度画素と同時に読み出される同一行画素の出力変動を防止することを目的とする。

本発明の撮像装置は、光を電荷に変換する光電変換素子と、前記変換された電荷をフローティングノードに転送するための転送ゲートと、前記フローティングノードの電位に基づく信号を信号線に出力するための第１のトランジスタと、前記フローティングノードの電位をリセットするための第２のトランジスタと、を有する複数の画素を有する撮像装置であって、前記第１のトランジスタのドレインからソースへ流れる電流を供給する定電流源と、前記信号線の電位を、第１の電位と前記第１の電位と異なる第２の電位とに制限することが可能なクリップ回路と、を有し、前記クリップ回路は、前記リセット信号読み出し期間の少なくとも一部において、前記信号線の電位を第１の電位に制限し、前記光電変換信号読み出し期間の少なくとも一部において、前記信号線の電位を第２の電位に制限することを特徴とする。

本発明の撮像装置によって、高輝度時の画像信号の出力の低下を減少させると同時に、強い光が入射していない他の画素セルの出力変動を低減することができる。

第１の実施形態による撮像装置の回路図である。第１の実施形態による撮像装置の駆動パルスの説明図である。ＣＭＯＳセンサの説明図である。ウインドウチャート撮像時の模式図である。第３の実施形態のスチルビデオカメラの構成例を示すブロック図である。第４の実施形態によるビデオカメラの構成例を示すブロック図である。第２の実施形態についての説明図である。

（第１の実施形態）
図１は、第１の実施形態による撮像装置の回路図であり、図２はその駆動パルスである。ここではトランジスタがＮＭＯＳ（ＮチャネルＭＯＳトランジスタ）である場合について説明するが、トランジスタのタイプとパルスの極性を反転した場合にも本実施形態の効果を得る事ができる。１０１は単位画素セルであり、図では省略してあるが２次元に繰り返し配列されている。以後、画素とも呼ぶ。本実施形態では、画素セル１０１は３トランジスタ方式であり、選択トランジスタを画素セル１０１内に持たない構成である。

画素セル１０１は、例えば、フォトダイオード１０２、フローティング容量１０３、転送ゲート１０４、ソースフォロワトランジスタ１０７、リセットトランジスタ１０５より構成される。ソースフォロワトランジスタ１０７は、ゲートがフローティングノード１０８に接続され、ドレインが電源１０９に接続される。リセットトランジスタ１０５は、ソースがフローティングノード１０８に接続され、リセットゲート１０６により制御される。フォトダイオード（光電変換素子）１０２は、光電変換により、受光した光を電荷に変換し、蓄積する。この電荷を光電荷とも呼ぶ。垂直信号線１１０には、複数の画素セル１０１が接続されている。本実施形態においては、例として、光電荷が電子の場合を説明する。

リセットトランジスタ１０５のドレインとソースフォロワトランジスタ１０７のソースは垂直信号線１１０に接続されている。垂直信号線１１０は定電流源１１１に接続されている。この定電流源１１１は、ソースフォロワトランジスタのドレインからソースへ流れる電流を供給する。そして、ソースフォロワ動作がなされる。ソースフォロワトランジスタ１０７は、フローティングノード１０８の電位に基づく信号を垂直信号線１１０に出力する。そして、垂直信号線１１０の電位は出力端子１１２から読み出される。その出力は、サンプルホールド回路Ｓ／Ｈ（Ｎ）に保持される。本実施形態においては、２つのサンプルホールド回路を有しており、図１において、夫々Ｓ／Ｈ（Ｎ）およびＳ／Ｈ（Ｓ）で示される。このＳ／Ｈ（Ｎ）には、フローティングノードをリセットした際のフローティングノードの電位に基づくリセット信号（以降、Ｎ信号と呼ぶ）を保持する。Ｓ／Ｈ（Ｓ）には、フォトダイオードの電荷にフローティングノードに転送された際のフローティングノードの電位基づく信号（以降、Ｓ信号と呼ぶ）を保持する。

ここで、フローティングノードがリセットされた際のフローティングノードの電位に基づく信号を読み出し、保持する期間をリセット信号読み出し期間とする。そして、光電変換素子の電荷がフローティングノードに転送された際のフローティングノードの電位に基づく信号を読み出し、保持する期間を光電変換信号読み出し期間とする。

また、このＳ信号は、Ｎ信号に電荷に基づく信号が加わったものである。よって、先に述べたように、Ｓ信号とＮ信号の差分を取ることで、画像信号を得ることが可能となる。

行選択はフローティングノード１０８の電位を制御することで行う。具体的には、垂直信号線１１０に接続されたトランジスタ１１４によって与えられる電位ＶｒｅｓＬ１１３と、垂直信号線１１０に接続されたトランジスタ１１６によって与えられる電位ＶｒｅｓＨ１１５で制御する。ＶｒｅｓＬ１１３よりもＶｒｅｓＨ１１５は高い電位である。これらを、以下、リセット電位と呼ぶ。具体的に、駆動を説明する。垂直信号線１１０に接続されたトランジスタ１１４をオンする。そして、低いリセット電位ＶｒｅｓＬ１１３を垂直信号線１１０に書き込むと同時に、非選択行と選択行の両方のリセットトランジスタ１０５をオンする。この動作によって、垂直信号線１１０と全ての画素のフローティングノード１０８に、低い電位ＶｒｅｓＬ１１３でリセットしている。

次に、選択したい行、すなわちある列の画素のリセットトランジスタ１０５のみをオン状態にし、トランジスタ１１４をオフした後、トランジスタ１１６をオンする。この動作により、高いリセット電位ＶｒｅｓＨ（１１５）を選択したい行のフローティングノード１０８に書き込む。つまり、トランジスタ１１６とリセットトランジスタ１０５をオンすることによって、フローティングノード１０８の電位をリセット電位ＶｒｅｓＨ（１１５）にする。

さらに、トランジスタ１１６をオフすることで垂直信号線１１０をソースフォロワ動作させる。このとき、同一の垂直信号線１１０に複数のソースフォロワトランジスタ１０７が接続されている。しかし、最も高い電位のソースフォロワ、すなわち高いリセット電位ＶｒｅｓＨ（１１５）が書き込まれた選択行のソースフォロワのみが有効となる。従って、選択行のフローティングノード電位に依存した信号が出力端子１１２に出力される。

この動作を、図２のタイミングチャートを用いて説明する。ＰｒｅｓＬは、トランジスタ１１４のゲートへ与えられるパルスである。ＰｒｅｓＨは、トランジスタ１１４のゲートへ与えられるパルスである。Ｒｅｓ（非選択行）は、非選択行のリセットトランジスタ１０５のゲートへ与えられるパルスであり、Ｒｅｓ（選択行）は、選択行のリセットトランジスタ１０５のゲートへ与えられるパルスである。Ｓ／Ｈ（Ｎ）は、Ｎ信号をサンプルホールドする際のパルスであり、Ｔｘは、画素セル１０１における転送ゲート１０４に与えられるパルスである。Ｓ／Ｈ（Ｓ）は、Ｓ信号をサンプルホールドする際のパルスである。Ｖｃｌｉｐについては、後述する。

まず上述の方法で読み出された高いリセット電位ＶｒｅｓＨ１１５が書き込まれた選択行のＮ信号を信号Ｓ／Ｈ（Ｎ）のタイミングでサンプルホールド回路Ｓ／Ｈ（Ｎ）（図１）にてサンプルホールドする。次に、Ｔｘで示したタイミングで、フォトダイオード１０２からの光電荷をフローティングノード１０８に転送する。その後、出力端子１１２の電位、すなわちＳ信号を信号Ｓ／Ｈ（Ｓ）のタイミングでサンプルホールド回路Ｓ／Ｈ（Ｓ）（図１）にてサンプルホールドする。そして、図１には示していないが、Ｓ信号とＮ信号との差分をとることで入射光に応じた画像信号を読み出すことが可能となっている。

ここで、垂直信号線１１０には、クリップ回路が設けられている。このクリップ回路の動作とは、所定範囲外の信号線の電位を所定の電位に制限するものである。このような動作をクリップと呼ぶ。この所定の電位とは、例えば、定電流源１１１や画像信号のダイナミックレンジ等を考慮して設定する。以下に詳述する。

本実施形態におけるクリップ回路は、クリップトランジスタ１１８と、電源１１７と、切り替え手段１１９が含まれている。切り替え手段１１９によって、トランジスタ１１８のゲートにはクリップ電位Ｖｃｌｉｐ（図２）が印加されている。このクリップ回路は、トランジスタ１１８のゲートに印加される電位によって、信号線の電位を切り替えることができる。電源１１７は、画素セル１０１のソースフォロワトランジスタ１０７の電源１０９と同電位にすることが可能である。また、クリップトランジスタ１１８のサイズは、画素セル１０１のソースフォロワトランジスタ１０７と同じにすることが好ましい。

本実施形態において、クリップ電位Ｖｃｌｉｐの電位は図２に示したパルスで与えられる。切り替え手段１１９によって、Ｎ信号の読み出し時にはＶｃｌｉｐＨが与えられＳ信号の読み出し時にはＶｃｌｉｐＬが与えられる。クリップトランジスタ１１８は、ゲートに与えられる電位がＶｃｌｉｐＨであるときには垂直信号線１１０に第１の電位ＶｃｌｉｐＨ’を供給する。そしてクリップトランジスタ１１８は、ゲートに与えられる電位がＶｃｌｉｐＬであるときには垂直信号線１１０に第２の電位ＶｃｌｉｐＬ’を供給する。つまり、リセット信号読み出し期間の少なくとも一部において、信号線の電位を第１の電位ＶｃｌｉｐＨ’制限し、光電変換信号読み出し期間の少なくとも一部において、信号線の電位を第２の電位ＶｃｌｉｐＬ’に制限している。この動作によって、飽和出力以上の光量の場合、電荷転送後の信号出力はＶｃｌｉｐＬでクリップされるため垂直信号線１１０の電位が下がりすぎることは無い。飽和する電位、つまり定電流源１１１がオフする電位に比べて、ＶｃｌｉｐＬ’を高く設定する。このため定電流源１１１には電流が流れつづけるために横筋の発生を抑制することが可能である。

また、本実施形態によると、例えば太陽のような非常に明るい被写体が撮影された場合においては、次のようになる。フローティングノード１０８のリセット後、リセットノイズ読み出しまでの期間にフローティングノード１０８の電位が大きく変動する場合がある。しかし、リセットノイズ出力の電位はＶｃｌｉｐＨで規制される電位ＶｃｌｉｐＨ’より下がることは無い。つまり、ＣＤＳ後の画像信号のダイナミックレンジを考慮し、ＶｃｌｉｐＬ’を設定すればよい。

このとき、電荷転送後の信号出力時にも、飽和時と同様にＶｃｌｉｐＬで規制される電位ＶｃｌｉｐＬ’が出力端子１１２に出力される。よって、画像信号Ｖｓｉｇは、次式で表される。
Ｖｓｉｇ＝｜ＶｃｌｉｐＬ’−ＶｃｌｉｐＨ’｜
これにより高輝度時において、一定の画像信号の出力を得ることができる。

以上のように、クリップトランジスタ１１８は、Ｎ信号をＳ／Ｈ（Ｎ）によりサンプルホールドする際に垂直信号線１１０に第１の電位ＶｃｌｉｐＨ’を供給する。そしてＳ信号をＳ／Ｈ（Ｓ）によりサンプルホールドする際に垂直信号線１１０に第２の電位ＶｃｌｉｐＬ’を供給する。第１の電位ＶｃｌｉｐＨ’及び第２の電位ＶｃｌｉｐＬ’は相互に異なる電位である。本実施形態において第１の電位ＶｃｌｉｐＨ’は、第２の電位ＶｃｌｉｐＬ’より高くするとよい。

リセット後に垂直信号線１１０の電位を出力する際に垂直信号線１１０に電位ＶｃｌｉｐＨ’を供給することにより、リセットノイズ出力が電位ＶｃｌｉｐＨ’より下がることを減少させ、高輝度時の画像信号の出力の低下を減少させることができる。また、フォトダイオード１０２の電荷をフローティングノード１０８に転送した後に垂直信号線１１０の電位を出力する際に垂直信号線１１０に電位ＶｃｌｉｐＬ’を供給することにより、他の画素セルの出力への影響を抑制することができる。よって、画像に横筋が入ることを低減することが可能となる。

第１の電位ＶｃｌｉｐＨ’によって、強い光が照射された画素に生じることがある画像信号の出力の低下を生じ難くすることが可能となる。そして、第２の電位ＶｃｌｉｐＬ’によって、飽和光量以上の光があたった場合の横筋の発生を生じ難くすることが可能となる。

また、本実施形態においては、切り替え手段１１９によってトランジスタ１１８から２つの電位によるクリップを行った。例えば、本実施形態のようにトランジスタ１１８と電源１１７からなる組を２つ設ける。ここで、２つの電源から異なる電圧を供給させ、切り替え手段１１９によってトランジスタのオンとオフを切り替えることで、異なる電位でのクリップを行うことができる。このように、クリップ回路は、本実施形態の回路構成に限られるものではない。

（第２の実施形態）
第２の実施形態として、更に詳しく好適なバイアス条件について説明する。出力端子１１２の電位が下がりすぎることにより定電流源１１１が正常動作しなくなりはじめる出力端子１１２の電位をＶｌｉｍｉｔとする。画像信号の（電荷転送後の出力とリセットノイズ信号の差分）の取り込みのレンジ、すなわち、後段のＡ／Ｄ（アナログ／デジタル）変換器６（図５）の取り込みの飽和レンジをＶｒａｎｇｅとする。Ａ／Ｄ変換器は、出力端子１１２を通って出力される電位をアナログ信号からデジタル信号に変換する。

次式を満たすバイアス設定にすることにより横筋の防止ができ、かつ、高輝度時の出力低下をわずかなものとし、Ａ／Ｄ変換後の画像として高輝度時の出力低下を防止することが可能である。

Ｖｌｉｍｉｔ＞ＶｃｌｉｐＬ’
Ｖｓｉｇ＝ＶｃｌｉｐＬ’−ＶｃｌｉｐＨ’
｜Ｖｓｉｇ｜＞｜Ｖｒａｎｇｅ｜
すなわち、第１の電位ＶｃｌｉｐＨ’と第２の電位ＶｃｌｉｐＬ’との差Ｖｓｉｇは、上記のＡ／Ｄ変換器の飽和レンジより大きい。

更に詳細に、図７に示す光量と出力電位との関係を模式的に示した図を用いて説明する。簡単のために、電位を示す縦軸において、その矢印で示す方向を負にしている。

図７において、Ｓ信号とＮ信号は、光量に対して増加していく。それらは、それぞれ異なる傾きを有している。そして、Ｎ信号は第１の電位ＶｃｌｉｐＨ’にてクリップされ、Ｓ信号は第２の電位ＶｃｌｉｐＬ’にてクリップされる。その様子を、実線と点線にて示し、クリップ時の光量をａとｂとする。そしてＶｌｉｍｉｔを点線にて示している。

ここで、Ｓ信号とＮ信号の差分が画像信号となる。図７のＰは、その画像信号を示す。図７で示したように、光量変化に対するＳ信号変化量とＮ信号変化量が異なる場合がある。このような場合には、ＶｃｌｉｐＨ’とＶｃｌｉｐＬ’の設定値によっては、Ｓ信号、Ｎ信号のいずれかが先にクリップされることとなる。図７のように先にＳ信号がクリップされる場合には、例えば、ａとｂの間において、その画像信号Ｐは減少してしまうことがある。

そこで、本実施形態においては、ＶｃｌｉｐＨ’とＶｃｌｉｐＬ’の差分ＶｓｉｇをＡ／Ｄ変換器の飽和レンジＶｒａｎｇｅより大きくしている。このような条件を満たす設定にすることにより、線形性のある画像信号を得ることが可能となる。それと同時に、複数あるクリップ回路によって生じる垂直信号線の電位のばらつきが、画像信号へ与える影響を低減することが可能となる。

よって、本実施形態によれば、横筋の防止ができ、かつ、高輝度時の出力低下をわずかなものとすることが可能となる。また、画像信号のばらつきを低減し、より高品質な画像を得ることが可能となる。なお、撮像装置に配されるＡ／Ｄ変換器は、単数でも複数でも良い。例えば、垂直信号線１１０の夫々にＡ／Ｄ変換器が配されていてもよい。この場合は、信号の読み出し速度の向上が可能となる。また、画素からのアナログ信号をデジタル化することで、転送における損失やノイズの影響を低減することが可能となる。

（第３の実施形態）
撮像システムに適用した例を次に示す。図５に基づいて、撮像装置をスチルビデオカメラに適用した場合の一例について詳述する。図５は、スチルビデオカメラの構成例を示すブロック図である。

図５において、１はレンズのプロテクトとメインスイッチを兼ねるバリア、２は被写体の光学像を撮像装置４に結像させるレンズ、３はレンズ２を通った光量を可変するための絞りである。４はレンズ２で結像された被写体を画像信号として取り込むための撮像装置であり、５は撮像装置４より出力される撮像信号（画像信号）をアナログ信号処理する撮像信号処理回路である。６は撮像信号処理回路５より出力される画像信号のアナログ−ディジタル変換を行うＡ／Ｄ変換器、７はＡ／Ｄ変換器６より出力された画像データに各種の補正や、データを圧縮する信号処理部である。８は撮像装置４、撮像信号処理回路５、Ａ／Ｄ変換器６、信号処理部７に、各種タイミング信号を出力するタイミング発生部、９は各種演算とスチルビデオカメラ全体を制御する全体制御部・演算部である。１０は画像データを一時的に記憶する為のメモリ部、１１は記録媒体１２に記録又は読み出しを行うためのインタフェース部である。そして、１２は画像データの記録又は読み出しを行う為の半導体メモリ等の着脱可能な記録媒体であり、１３は外部コンピュータ等と通信する為のインタフェース部である。ここで、例えば、５や６は、撮像装置４と同一半導体基板上に形成されていても良い。また、同一工程で形成することも可能である。

次に、前述の構成における撮影時のスチルビデオカメラの動作について説明する。バリア１がオープンされるとメイン電源がオンされ、次にコントロール系の電源がオンし、更にＡ／Ｄ変換器６などの撮像系回路の電源がオンされる。それから、露光量を制御する為に、全体制御部・演算部９は絞り３を開放にし、撮像装置４から出力された信号は撮像信号処理回路５を介してＡ／Ｄ変換器６で変換された後、信号処理部７に入力される。そのデータを基に露出の演算を全体制御部・演算部９で行う。この測光を行った結果により明るさを判断し、その結果に応じて全体制御部・演算部９は絞り３を制御する。

次に、撮像装置４から出力された信号をもとに、高周波成分を取り出し被写体までの距離の演算を全体制御部・演算部９で行う。その後、レンズ２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２を駆動し、演算を行う。そして、合焦が確認された後に本露光が始まる。露光が終了すると、撮像装置４から出力された画像信号は撮像信号処理回路５を介してＡ／Ｄ変換器６でＡ／Ｄ変換され、信号処理部７を通り全体制御部・演算部９によりメモリ部１０に書き込まれる。その後、メモリ部１０に蓄積されたデータは、全体制御部・演算部９の制御により記録媒体制御Ｉ／Ｆ部１１を通り半導体メモリ等の着脱可能な記録媒体１２に記録される。また、外部Ｉ／Ｆ部１３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。

よって、本応用によれば、高品質な静止画を得ることが可能となる。

（第４の実施形態）
撮像システムに適用した例を次に示す。図６に基づいて、第１及び第２の実施形態の撮像装置をビデオカメラに適用した場合の一実施例について詳述する。撮像装置２３は、図１の撮像装置を用いている。

２１は撮影レンズで焦点調節を行うためのフォーカスレンズ２１Ａ、ズーム動作を行うズームレンズ２１Ｂ、結像用のレンズ２１Ｃを備えている。２２は絞り及びメカシャッタ、２３は撮像面に結像された被写体像を光電変換して電気的な撮像信号に変換する撮像装置である。２４は撮像装置２３より出力された撮像信号をサンプルホールドし、さらに、レベルをアンプするサンプルホールド回路（Ｓ／Ｈ回路）であり、映像信号を出力する。

２５はサンプルホールド回路２４から出力された映像信号にガンマ補正、色分離、ブランキング処理等の所定の処理を施すプロセス回路で、輝度信号Ｙ及びクロマ信号Ｃを出力する。プロセス回路２５から出力されたクロマ信号Ｃは、色信号補正回路４１で、ホワイトバランス及び色バランスの補正がなされ、色差信号Ｒ−Ｙ，Ｂ−Ｙとして出力される。

また、プロセス回路２５から出力された輝度信号Ｙと、色信号補正回路４１から出力された色差信号Ｒ−Ｙ，Ｂ−Ｙは、エンコーダ回路（ＥＮＣ回路）４４で変調され、標準テレビジョン信号として出力される。そして、図示しないビデオレコーダ、あるいはモニタ電子ビューファインダ（ＥＶＦ）等の電子ビューファインダへと供給される。

次いで、２６はアイリス制御回路であり、サンプルホールド回路２４から供給される映像信号に基づいてアイリス駆動回路２７を制御する。そして、映像信号のレベルが所定レベルの一定値となるように、絞り２２の開口量を制御すべくｉｇメータ２８を自動制御するものである。

３３及び３４は、サンプルホールド回路２４から出力された映像信号中より合焦検出を行うために必要な高周波成分を抽出する異なった帯域制限のバンドパスフィルタ（ＢＰＦ）である。第１のバンドパスフィルタ３３（ＢＰＦ１）、及び第２のバンドパスフィルタ３４（ＢＰＦ２）から出力された信号は、ゲート回路３５及びフォーカスゲート枠信号で各々でゲートされる。そして、ピーク検出回路３６でピーク値が検出されてホールドされると共に、論理制御回路３７に入力される。この信号を焦点電圧と呼び、この焦点電圧によってフォーカスを合わせている。

また、３８はフォーカスレンズ２１Ａの移動位置を検出するフォーカスエンコーダ、３９はズームレンズ２１Ｂの焦点距離を検出するズームエンコーダ、４０は絞り２２の開口量を検出するアイリスエンコーダである。これらのエンコーダの検出値は、システムコントロールを行う論理制御回路３７へと供給される。

論理制御回路３７は、設定された合焦検出領域内に相当する映像信号に基づいて、被写体に対する合焦検出を行い、焦点調節を行う。まず、各々のバンドパスフィルタ３３、３４より供給された高周波成分のピーク値情報を取り込む。高周波成分のピーク値が最大となる位置へとフォーカスレンズ２１Ａを駆動すべく、フォーカス駆動回路２９にフォーカスモータ３０の回転方向、回転速度、回転／停止等の制御信号を供給し、これを制御する。

ズーム駆動回路３１は、ズームが指示されると、ズームモータ３２を回転させる。ズームモータ３２が回転すると、ズームレンズ２１Ｂが移動し、ズームが行われる。

このような応用においても、高品質な動画を得ることが可能となる。

以上のように、本発明の撮像装置によれば、高輝度時の画像信号出力の低下を低減すると同時に、高輝度画素と同時に読み出される同一行画素の出力変動を低減することができる。具体的には、各列の出力にクリップ回路を設け、クリップ電位をノイズ信号出力読み出し時と電荷転送後の出力読み出し時とで異ならせ、かつ、電荷転送後の出力読み出し時にもクリップ回路が動作する。

飽和した画素の電荷転送後の信号出力時にもクリップ回路が動作しているため、定電流源には所望の電流が流れつづけており、他の列の出力が変動することを低減することが可能となる。よって、強い光が照射された画素の画像信号の出力低下を減少させるとともに、飽和光量以上の光があたった場合の横筋の発生を低減させる効果を得ることができる。

また、それらを低減するにあたって生じる画像信号のばらつきを、減少させることが可能となり、より高品質な画像を得ることが可能となる。

なお、上記実施形態は、何れも本発明を実施するにあたっての具体化の例を示したものに過ぎず、これらによって本発明の技術的範囲が限定的に解釈されてはならないものである。例えば、画素の構成やクリップ回路の構成は、実施形態に限られることはない。更に、電荷の正負は関係なく、電位関係が反対となる撮像装置の構造の場合においても、本発明の適用は可能である。すなわち、本発明はその技術思想、又はその主要な特徴から逸脱することなく、様々な形で実施することができる。

１０１画素セル
１０２フォトダイオード
１０３フローティング容量
１０４転送ゲート
１０５リセットトランジスタ
１０７ソースフォロワトランジスタ
１０８フローティングノード
１１０垂直信号線
１１１定電流源
１１２出力端子
１１８クリップトランジスタ

Claims

光を電荷に変換する光電変換素子と、
前記変換された電荷をフローティングノードに転送するための転送ゲートと、
前記フローティングノードの電位に基づく信号を信号線に出力するための第１のトランジスタと、
前記フローティングノードの電位をリセットするための第２のトランジスタと、を有する複数の画素を有する撮像装置であって、
前記第１のトランジスタのドレインからソースへ流れる電流を供給する定電流源と、
前記信号線の電位を、第１の電位と前記第１の電位と異なる第２の電位とに制限することが可能なクリップ回路と、を有し、
前記クリップ回路は、リセット信号読み出し期間の少なくとも一部において、前記信号線の電位を第１の電位に制限し、光電変換信号読み出し期間の少なくとも一部において、前記信号線の電位を第２の電位に制限することを特徴とする撮像装置。
前記電荷は電子であり、前記第１の電位は、前記第２の電位より高いことを特徴とする請求項１に記載の撮像装置。
さらに、前記信号線から出力される電位をアナログ信号からデジタル信号に変換する、１つもしくは複数のＡ／Ｄ変換器を有し、
前記第１の電位と前記第２の電位との差は、前記Ａ／Ｄ変換器の飽和レンジより大きいことを特徴とする請求項１または２のいずれかに記載の撮像装置。
前記Ａ／Ｄ変換器は、前記信号線に夫々配されていることを特徴とする請求項３に記載の撮像装置。
請求項１から４のいずれか１項に記載の撮像装置と、
光学像を前記撮像装置に結像させるためのレンズと、
前記レンズを通る光量を可変するための絞りとを有することを特徴とする撮像システム。