JP2014107739A - 撮像装置及びその制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 高輝度被写体を受光し続けて電源変動を起こしても、その影響を後段の処理回路に伝えることなく、スミア現象の発生を抑制する。
【解決手段】 遮光画素のフローティングディフュージョン部の電荷をリセットしたときの電圧信号を第１の保持部に保持し、受光画素の光電変換部で発生する電荷に応じた電圧信号を第２の保持部に保持するようにする。
【選択図】 図５

Description

本発明は、撮像素子を用いた撮像装置及びその制御方法に関するものである。

デジタルカメラやビデオカメラ等の撮像装置においては、撮像素子としてＣＣＤやＣＭＯＳイメージセンサ等が使用されている。ところで、ＣＣＤやＣＭＯＳイメージセンサ等の撮像素子が高輝度被写体を受光した場合に、その列または行全体の信号レベルが変動することで、縦筋や横筋状の画像になるスミア現象が生じることが知られている。これはＣＣＤだけでなく、ＣＭＯＳイメージセンサにおいても同様の現象が発生する。ＣＭＯＳイメージセンサにおけるスミア現象を抑制する技術としては、信号出力が所定電圧以下にならないように制限する回路を設けるものがある（特許文献１参照）。

特開２００１−２３０９７４

ＣＭＯＳイメージセンサにおいて、特許文献１に記載された技術により抑制されるスミア現象とは別の原因で発生するスミア現象について、以下に説明する。ＣＭＯＳイメージセンサでは、画素部に構成されるフローティングディフュージョン部のリセット解除時のリセット信号（Ｎ信号）を読み出す。その後、フォトダイオードで発生した電荷をフローティングディフュージョン部に転送したときの画素信号（Ｓ信号）を読み出す。そして、画素信号（Ｓ信号）とリセット信号（Ｎ信号）の差分（Ｓ−Ｎ信号）を取ることで、光信号を読み出している。

具体的には、画素部の後段に容量帰還型増幅回路を配置し、容量帰還型増幅回路をリセットしながら入力容量にＮ信号をクランプする。その後、容量帰還型増幅回路のリセットを解除し、出力部に配置したＮ信号用の保持容量にＮ信号を保持する。更に、その後、容量帰還型増幅回路にＳ信号を入力し、出力に配置したＳ信号用の保持容量にＳ信号を保持し、更に後段の処理回路でＳ−Ｎ信号を読み出している。

近年では動画を撮影可能な撮像装置にＣＭＯＳイメージセンサが用いられ、メカニカルシャッタにより遮光されることなく撮影が継続されることが多い。そのため、信号読み出し時にもイメージセンサが露光され続けることになる。そして、特に高輝度被写体を受光している画素部では、フローティングディフュージョン部への光の漏れ込みなどにより、フローティングディフュージョン部のリセット解除後にその電位が変化し続ける現象が発生する場合がある。

このとき、前記のように容量帰還型増幅回路のリセットを解除し、出力部に配置したＮ信号用の保持容量にＮ信号を保持する動作を行うと、その出力が大きく変動する。そして、電源およびグラウンド配線を変動させることで同時に記憶される他の画素のＮ信号のレベル変動を発生させてしまう。

ＣＭＯＳイメージセンサの場合、通常、水平方向の同一行に配置された画素の信号を同時に読み出すので、この状態でＮ信号用の保持容量にＮ信号を保持すると、同一行の信号読み出し時に、本来のＮ信号とは異なるレベルの信号が保持されることになる。その後、読み出されるＳ信号との差分をとると、高輝度被写体のある同一行でスミア現象が発生する。すなわち、特許文献１に記載された技術では、Ｎ信号に起因するスミア現象を抑制することはできない。

本発明の目的は、上記のように高輝度被写体を受光し続けて、各画素部に設けられたフローティングディフュージョン部のリセット解除後にその電位が変化し続けても、その影響を後段の処理回路に伝えることなく、スミアの発生を抑制することである。

本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、請求項１に記載の撮像装置は、光電変換部と、フローティングディフュージョン部と、前記光電変換部の電荷を前記フローティングディフュージョン部に転送する転送部と、前記フローティングディフュージョン部をリセットするリセット部と、前記フローティングディフュージョン部の電荷量に応じた電圧を増幅する増幅部とを各々が有する複数の画素が配置され、受光画素領域及び遮光画素領域からなる画素配列と、前記画素配列の各画素から電圧信号を読み出し、前記リセット部により前記フローティングディフュージョン部をリセットしたときに読み出されるリセット信号を保持する第１の保持部と、前記転送部により前記光電変換部の電荷を前記フローティングディフュージョン部に転送したときに読み出される画素信号を保持する第２の保持部とを有する読み出し回路と、前記第２の保持部に保持された画素信号と前記第１の保持部に保持されたリセット信号との差分を増幅する差動増幅部と、前記受光画素領域の画素から画素信号を読み出して前記第２の保持部に保持する場合に、前記第１の保持部に前記遮光画素領域の画素から読み出したリセット信号を保持し続けるように制御するとともに、前記受光画素領域の画素から読み出した画素信号と前記遮光画素領域の画素から読み出したリセット信号との差分を前記差動増幅部が増幅するように制御する制御手段と、を備えたことを特徴とする。

また、請求項６に記載の撮像装置の制御方法は、光電変換部と、フローティングディフュージョン部と、前記光電変換部の電荷を前記フローティングディフュージョン部に転送する転送部と、前記フローティングディフュージョン部をリセットするリセット部と、前記フローティングディフュージョン部の電荷量に応じた電圧を増幅する増幅部とを各々が有する複数の画素が配置され、受光画素領域及び遮光画素領域からなる画素配列と、前記画素配列の各画素から電圧信号を読み出し、前記リセット部により前記フローティングディフュージョン部をリセットしたときに読み出されるリセット信号を保持する第１の保持部と、前記転送部により前記光電変換部の電荷を前記フローティングディフュージョン部に転送したときに読み出される画素信号を保持する第２の保持部とを有する読み出し回路と、前記第２の保持部に保持された画素信号と前記第１の保持部に保持されたリセット信号との差分を増幅する差動増幅部とを備えた撮像装置の制御方法であって、前記受光画素領域の画素から画素信号を読み出して前記第２の保持部に保持する場合に、前記第１の保持部に前記遮光画素領域の画素から読み出したリセット信号を保持し続けるように制御するとともに、前記受光画素領域の画素から読み出した画素信号と前記遮光画素領域の画素から読み出したリセット信号との差分を前記差動増幅部が増幅するように制御する制御ステップと、を備えたことを特徴とする。

本発明によれば、高輝度被写体を受光しても、各画素部に設けられたフローティングディフュージョン部のリセット解除後にその電位が変化し続けても、その影響を後段の処理回路に伝えることなく、スミアの発生を抑制することができる。

第１の実施形態の撮像装置の全体構成を概略的に示す図。 第１の実施形態の光電変換装置の構成を概略的に示す図。 第１の実施形態の撮像素子の全体構成を概略的に示す図。 第１の実施形態の撮像素子のローリング読み出し動作を説明する図。 図２の動作で高輝度被写体を受光したときの出力画像。 第１の実施形態のＶＯＢ領域の行に対する読み出し駆動を説明する図。 第１の実施形態の受光画素領域の行に対する読み出し駆動を説明する図。 図４、図５の動作で高輝度被写体を受光したときの出力画像を示す図。 第１の実施形態で静止画撮影時の読み出し駆動を説明する図。 第２の実施形態の撮像素子の列読み出し回路を概略的に示す図。 第２の実施形態のＶＯＢ領域の行に対する読み出し駆動を説明する図。 第２の実施形態の受光画素領域の行に対する読み出し駆動を説明する図。

以下、本発明の具体的な実施例を説明する。

（第１の実施形態）
図１を参照して、本発明の実施形態における撮像装置について説明する。図１は、撮像装置２００の機能的構成を模式的に示すブロック図である。図１に示すように、撮像装置２００は、駆動回路７により駆動される光学系１、メカシャッタ２、光電変換装置１００を備える。光学系１はレンズ及び絞り羽根などである。メカシャッタ２は、例えばフォーカルプレーン式のメカニカルシャッタ（以下、「メカシャッタ」とする）である。メカシャッタ２は、動画撮影モード／静止画撮影モードを切り替える撮影モード選択スイッチ５００により、静止画撮影モードが選択された際には、先幕及び後幕の走行時刻の差により光電変換装置１００への露光時間の制御を行う。また、メカシャッタ２は、動画撮影モードが選択された際には、全開となって光電変換装置１００へ常に光が導かれる状態となる。光電変換装置１００はＣＭＯＳイメージセンサなどの撮像素子である。

ＣＤＳ４は、アナログ信号処理を行うＣＤＳ（Ｃｏｒｒｅｌａｔｅｄ Ｄｏｕｂｌｅ Ｓａｍｐｌｉｎｇ）回路である。Ａ／Ｄ５は、アナログ信号をデジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換器である。タイミング信号発生回路６は、ＣＤＳ４、Ａ／Ｄ５、駆動回路７を動作させるためのタイミング信号を発生する。駆動回路７は、光学系１、メカシャッタ２及び光電変換装置１００を駆動させるための駆動信号を出力する。信号処理回路８は、撮像した画像データに必要な信号処理を行う。画像メモリ９は、信号処理回路８により信号処理された画像データを記憶する。記録媒体２１０は、特に図示しないインターフェイスなどを介して接続し、撮像装置２００から取り外し可能な半導体メモリなどである。記録回路２１１は、信号処理回路８により信号処理された画像データを記録媒体２１０に記録する。画像表示装置２１２は、信号処理回路８により信号処理された画像データを表示するＬＣＤ（Ｌｉｑｕｉｄ Ｃｒｙｓｔａｌ Ｄｉｓｐｌａｙ）などである。表示回路２１３は、信号処理回路８により信号処理された画像データに基づいて画像表示装置２１２に画像を表示させるための表示信号を生成する。

システム制御部２１４は、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）などであり、撮像装置２００全体の動作を中央制御する。ＲＯＭ２１５（Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）は、システム制御部２１４で実行されるプログラムデータ、そのプログラムデータを実行する際に使用されるパラメータやテーブルデータ等の制御データが格納されている。ＲＡＭ２１６（Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）は、ＲＯＭ２１５に記憶されたデータなどを一時的に記憶し、システム制御部２１４がプログラムデータを実行する際の作業領域を提供する。

ここで、上記撮像装置２００の動作について、動画撮影モードが選択された場合の動作を例に説明する。静止画撮影モードが選択された場合については、動画撮影モードにおける１フレーム分の撮像動作とほぼ同じであるため、その説明は省略する。

撮像動作に先立ち、撮像装置２００の電源投入時等のシステム制御部２１４の動作開始時において、ＲＯＭ２１５から必要なプログラムデータや制御データ等については、ＲＡＭ２１６に転送して記憶しておくものとする。また、これらのプログラムデータや制御データは、システム制御部２１４が撮像装置２００を制御する際に使用するとともに、必要に応じて、追加のプログラムデータや制御データがＲＯＭ２１５からＲＡＭ２１６へ転送される場合もある。さらに、システム制御部２１４は、ＲＯＭ２１５内のデータを直接読み出して使用したりしてもよい。

先ず、光学系１は、システム制御部２１４からの制御信号により駆動される駆動回路７により、絞り羽根とレンズが駆動される。同様に、メカシャッタ２は全開とされ、光電変換装置１００には、適切な明るさに設定された被写体像が結像される。光電変換装置１００は、システム制御部２１４により制御されるタイミング信号発生回路６が発生する動作パルスをもとにした駆動パルスで駆動され、被写体像を光電変換により電気信号に変換して、アナログ画像信号として出力する。なお、光電変換装置１００の駆動方法の詳細については、後述する。

光電変換装置１００から出力されたアナログ画像信号は、システム制御部２１４により制御されるタイミング信号発生回路６が発生する動作パルスにより、ＣＤＳ４でクロック同期性ノイズが除去され、Ａ／Ｄ５でデジタル画像信号に変換される。次に、デジタル画像信号に変換された画像データは、一旦、画像メモリ９に記憶される。画像メモリ９に記憶された画像データは、システム制御部２１４により制御される信号処理回路８において、色変換、ホワイトバランス調整、ガンマ補正等の画像処理、解像度変換処理、画像圧縮処理などの信号処理が行われる。なお、画像メモリ９は、信号処理中の画像データ（デジタル画像信号）を一時的に記憶したり、信号処理された後の画像データを記憶したりするために用いられる。

信号処理回路８で信号処理された画像データや画像メモリ９に記憶されている画像データは、記録回路２１１において記録媒体２１０に適したデータ（例えば階層構造を持ちファイルシステムデータ）に変換されて記録媒体２１０に記録されてもよい。また、上記画像データは、信号処理回路８で解像度変換処理を実施された後、表示回路２１３において画像表示装置２１２に適した信号（例えばＮＴＳＣ方式のアナログ信号）に変換されて画像表示装置２１２に表示されてもよい。

信号処理回路８は、システム制御部２１４から要求があった場合に、信号処理の過程で生じたデジタル画像信号や画像データの情報、あるいは、それらから抽出された情報をシステム制御部２１４に出力する。この信号処理回路８がシステム制御部２１４に出力する情報としては、例えば、画像の空間周波数、指定領域の平均値（例えば空間周波数）、圧縮画像のデータ量などがある。また、記録回路２１１は、システム制御部２１４からの要求があった場合に、記録媒体２１０の種類や空き容量などの情報をシステム制御部２１４に出力する。

さらに、撮像装置２００において、記録媒体２１０に画像データが記録されている場合の再生動作について説明する。システム制御部２１４からの制御信号により、記録回路２１１は記録媒体２１０から画像データを読み出す。記録媒体２１０から読み出された画像データが圧縮画像であった場合、システム制御部２１４からの制御信号により信号処理回路８は画像伸張処理を行う。この画像伸張処理後の画像データは、画像メモリ９に記憶される。次いで、画像メモリ９に記憶されている画像データは、信号処理回路８で解像度変換処理が実施された後、表示回路２１３において画像表示装置２１２に適した信号に変換され、画像表示装置２１２に表示される。

図２は、第１実施形態に係る光電変換装置１００の全体構成を示す概念図である。図２に示すように、光電変換装置１００は、画素配列３０１、垂直選択回路３０２、読み出し回路１２、水平選択回路３０４を有する構成である。画素配列３０１は、複数の画素が２次元アレイ状に配置されており、２次元の撮像画像を取得する。なお、画素配列３０１は、被写体光を受光する受光画素領域（有効画素領域）と、受光画素領域の上側と左側に遮光画素領域である垂直ＯＢ領域（以下、ＶＯＢと称す）と水平ＯＢ領域（以下、ＨＯＢと称す）を備えている。垂直選択回路３０２は画素配列３０１における行を選択し、水平選択回路３０４は画素配列３０１における列を選択する回路である。一般的には、垂直選択回路３０２は、画素配列３０１の複数の行を順に選択し、水平選択回路３０４は、垂直選択回路３０２によって選択されている行を構成する複数の画素を順に選択するように画素配列３０１の複数の列を順に選択する。読み出し回路１２は、垂直選択回路３０２及び水平選択回路３０４によって選択される画素から電圧信号を読み出す回路である。なお、光電変換装置１００は、上記の各回路にタイミング信号を提供するタイミングジェネレータ或いは後述する各種信号を出力する制御回路などを備えてもよい。

図３は、図２に示した光電変換装置１００であるＣＭＯＳイメージセンサの概略を示す図である。図２に示した画素配列３０１に配置された複数の画素１１は、次の各要素から構成される。光電変換部であるフォトダイオード１０１は、入射光に応じた電荷を発生し、アノード側が接地されている。フォトダイオード１０１のカソード側は、転送ＭＯＳトランジスタ１０２を介して増幅部である増幅ＭＯＳトランジスタ１０４のゲートに接続されている。また、増幅ＭＯＳトランジスタ１０４のゲートには、リセット部であるリセットＭＯＳトランジスタ１０３のソースが接続されている。リセットＭＯＳトランジスタ１０３のドレインは、電源電圧ＶＤＤに接続されている。さらに、増幅ＭＯＳトランジスタ１０４のドレインも電源電圧ＶＤＤに接続され、ソースが選択ＭＯＳトランジスタ１０５のドレインに接続されている。

転送部である転送ＭＯＳトランジスタ１０２は、パルスｐｔｘにより駆動され、転送ＭＯＳトランジスタ１０２をオンすることにより、フォトダイオード１０１で発生した電荷がフローティングディフュージョン部１０６に転送される。フローティングディフュージョン部１０６は、フォトダイオード１０１で発生した電荷を保持する。リセットＭＯＳトランジスタ１０３は、ｐｒｅｓパルスにより駆動されることでオンし、フローティングディフュージョン部１０６をリセットする。転送ＭＯＳトランジスタ１０２をオンした状態でリセットＭＯＳトランジスタ１０３をオンすることで、フォトダイオード１０１もリセットする。

増幅部である増幅ＭＯＳトランジスタ１０４は、選択ＭＯＳトランジスタ１０５及び定電流源１１０と共に画素ソースフォロワアンプとして動作し、フローティングディフュージョン部１０６に保持された電荷量に応じた電圧を増幅する。選択ＭＯＳトランジスタ１０５はパルスｐｓｅｌにより駆動され、パルスｐｓｅｌにより同一行の画素１１の選択ＭＯＳトランジスタ１０５を同時に駆動してオンすることで、行単位で画素ソースフォロワアンプの出力信号が読み出される。

また、列毎に読み出し回路１２が設けられている。読み出し回路１２のオペアンプ１１３は、帰還容量１１２（ｃｆ）と容量１１１（ｃ０）により反転増幅アンプを構成している。パルスｐｃ０ｒにより駆動されるアナログスイッチ１１４をオンすることで、容量１１１（ｃ０）、帰還容量１１２（ｃｆ）をリセットする。さらに、パルスｐｔｓ，パルスｐｔｎで駆動されるＭＯＳスイッチ１１８、１１９を介して、後段の保持容量１２０（ｃｔｓ）、１２１（ｃｔｎ）をリセットする。その後、行単位で読み出された各画素の画素ソースフォロワアンプの出力信号は、列毎に共通で設けられた垂直出力線を介して容量１１１（ｃ０）でクランプされ、オペアンプ１１３に入力される。

オペアンプ１１３の出力は、パルスｐｔｓ，パルスｐｔｎで駆動されるＭＯＳスイッチ１１８、１１９を介して、それぞれ保持容量１２０（ｃｔｓ）、１２１（ｃｔｎ）に保持される。第１の保持部である保持容量１２１（ｃｔｎ）は、リセット信号（Ｎ信号）を保持する。また、第２の保持部である保持容量１２０（ｃｔｓ）は、画素信号（Ｓ信号）を保持する。１行分の画素信号が列毎に保持容量１２０（ｃｔｓ）、１２１（ｃｔｎ）に保持されると、図２の水平選択回路３０４内の水平シフトレジスタにより、ｐｈ（ｎ）パルスが順次駆動される。そして、ＭＯＳスイッチ１２４、１２５が開閉され、後段の差動増幅部である差動型読み出しアンプ１２６に入力される。そして、差動型読み出しアンプ１２６は、保持容量１２０（ｃｔｓ）に保持されている画素信号と、保持容量１２１（ｃｔｎ）に保持されているリセット信号との差分を増幅して外部に出力する。なお、ＭＯＳスイッチ１２２、１２３を複数の列間でオンさせることで、行（水平）方向の信号を加算平均させることが可能な構成になっている。

図４、図６、図７、図９は、図３に示したＣＭＯＳイメージセンサの１行の信号読み出し動作を説明するタイミングチャートである。図４は、動画撮影モードにおけるＣＭＯＳイメージセンサのローリング読み出し動作を説明する図であり、全行で同一の読み出し駆動を行っているものとする。なお、ここでは、高輝度被写体の光を受光しているものとし、高輝度被写体を受光している画素のフローティングディフュージョン部１０６の電圧ＶＦＤ及びイメージセンサ内部の電源変動についても示している。

図４において、パルスｐｒｅｓをハイレベルにすることでリセットＭＯＳトランジスタ１０３をオンしてフローティングディフュージョン部１０６をリセットする。そして、時刻Ｔ１でパルスｐｒｅｓをハイレベルからローレベルにすることで、フローティングディフュージョン部１０６のリセットを解除する。この時点から、高輝度被写体によるフォトダイオード１０１からフローティングディフュージョン部１０６への電荷の漏れ込みにより、フローティングディフュージョン部１０６の電圧ＶＦＤは徐々に下がり始める。時刻Ｔ２では、パルスｐｓｅｌをローレベルからハイレベルにすることで選択ＭＯＳトランジスタ１０５がオンになる。そして、フローティングディフュージョン部１０６の電圧ＶＦＤ（ここでは、リセットレベルの電圧）が画素ソースフォロワアンプから読み出され、垂直出力線を介して容量１１１（ｃ０）にクランプされる。

次に、時刻Ｔ３からＴ６の間、パルスｐｃ０ｒをハイレベルにしてアナログスイッチ１１４をオンすることで、容量１１１（ｃ０）、帰還容量１１２（ｃｆ）のリセットを開始する。そして、時刻Ｔ４からＴ５の間、パルスｐｔｓ、ｐｔｎをハイレベルにすることで、容量１２０（ｃｔｓ）、１２１（ｃｔｎ）をリセットする。このとき、上述したように、画素部１１のフローティングディフュージョン部１０６の電圧ＶＦＤが容量（ｃ０）１１１にクランプされているが、高輝度被写体により電圧ＶＦＤが変動しているので、異常な電圧が容量１１１（ｃ０）にクランプされることになる。ただし、高輝度被写体を受光していない画素部においては、電圧ＶＦＤの変動は無いので正常な電圧がクランプされている。

時刻Ｔ６で、パルスｐｃ０ｒがハイレベルからローレベルになり、アナログスイッチ１１４をオフさせるが、このとき電圧ＶＦＤの出力が変動しているとオペアンプ１１３の出力が大きく振幅し、この影響でイメージセンサ内部の電源変動が読み出し行全体で起こる。時刻Ｔ７からＴ８の間にパルスｐｔｎをハイレベルにすることで、容量１１１（ｃ０）にクランプされた信号（Ｎ信号）が保持容量１２１（ｃｔｎ）に保持されるが、高輝度被写体を受光している場合は電源変動が収束しておらず、異常電圧を保持することになる。つまり、高輝度被写体を受光している画素では、異常な電圧が容量１１１（ｃ０）にクランプされると共に、電源変動により保持容量１２１（ｃｔｎ）も異常電圧を保持することになる。また、高輝度被写体を受光していない画素では、容量１１１（ｃ０）には正常な電圧がクランプされるが、電源変動により保持容量１２１（ｃｔｎ）には、異常電圧が保持されることになる。

次に、時刻Ｔ９からＴ１２の間にパルスｐｔｓをハイレベルにし、時刻Ｔ１０からＴ１１の間にパルスｐｔｘをハイレベルにすることで、フォトダイオード１０１の電荷をフローティングディフュージョン部１０６に転送する。そして、フローティングディフュージョン部１０６に転送した信号を保持容量１２０（ｃｔｓ）に保持する。時刻Ｔ１０においても、オペアンプ１１３の出力が大きく振幅し、この影響でイメージセンサ内部の電源変動が起こるが、時刻Ｔ１２では、電源変動がほぼ収束しているため、保持容量１２０（ｃｔｓ）には、正しい信号（Ｓ信号）が保持される。

時刻Ｔ１３では、パルスｐｓｅｌをハイレベルからローレベルにすることで、画素出力、つまりフローティングディフュージョン部１０６の電圧ＶＦＤを垂直出力線から切断する。そして、時刻Ｔ１４でパルスｐｒｅｓをローレベルからハイレベルにすることで、フローティングディフュージョン部１０６のリセットを開始する。その後、パルスｐｈにより、保持容量１２０（ｃｔｓ）、１２１（ｃｔｎ）に保持された信号を、順次、差動型読み出しアンプ１２６に入力し、外部に出力される。

ここで、パルスｐｔｎ、ｐｔｓがハイレベルになる期間を電源変動が収束する時間以上に長く取れれば、異常信号を保持しなくて済むが、トータルの信号読み出し時間を短くしたいために、極力短時間にするようにしている。また、フォダイオード１０１からの信号レベルは大きい可能性が高く、電源変動する可能性があるため、一般的にパルスｐｔｓがハイレベルになる期間の方が、パルスｐｔｎがハイレベルになる期間よりも長く設定される。一方、フローティングディフュージョン部１０６のリセット解除後の信号は通常極小なので、パルスｐｔｎがハイレベルになる期間は、極力短く設定される。そのため、高輝度被写体の受光時に異常電圧をクランプすることになる。

図５は、図４で説明したように、高輝度被写体を受光することにより、保持容量１２１（ｃｔｎ）に異常電圧を保持したときの出力画像である。図５では、被写体光を受光する受光画素領域（有効画素領域）に加え、その上部と左部に遮光画素領域であるＶＯＢとＨＯＢの出力を示している。受光画素領域の高輝度被写体の左右のレベルが変動しているため、水平方向のスミアが発生している。

図６、図７は、図４と同様に、動画撮影モードにおけるＣＭＯＳイメージセンサのローリング読み出し動作を説明する図である。図６では、ＶＯＢ領域の行に対する読み出し駆動を、図７では、ＶＯＢ領域読み出し後、ＨＯＢ領域を含む受光画素領域の行に対する読み出し駆動を行っているものとする。図４と同様に、フローティングディフュージョン部１０６の電圧ＶＦＤ及びイメージセンサ内部の電源変動についても示している。

図６の読み出し駆動は、図４と全く同じであるが、遮光画素であるＶＯＢ領域の行に対する読み出しであることから、被写体の光が画素に入射しない。そのため、高輝度被写体を受光した場合でも、フローティングディフュージョン部１０６の電圧ＶＦＤの変化はなく、イメージセンサ内部の電源変動についても無いことを示している。

一方、図７の読み出し駆動が図４と異なる点は、パルスｐｔｎを全く駆動しない点である。そのため、図４で説明したような、Ｎ信号がフローティングディフュージョン部１０６への電荷の漏れこみによる電源変動の影響を受けることがない。このとき、保持容量１２１（ｃｔｎ）には、ＶＯＢ領域を読み出したときのＮ信号が保持されている。つまり、ＶＯＢ領域の行に対する読み出し駆動を図６のように行い、その後、ＨＯＢ領域を含む受光画素領域の行に対する読み出し駆動を図７のように行う。そのように駆動することで、動画撮像時のローリング読み出し動作においても異常電圧をクランプすることなく、正常な信号を出力することができる。このときの出力画像を図８に示す。図８からわかるように、受光画素部の高輝度被写体の左右のレベルは変動していない。

図９は、ＣＭＯＳイメージセンサでメカニカルシャッタ２を併用した静止画撮影モード時のローリング読み出し駆動を示す図である。読み出し駆動パルスの動きは図４と同じであるが、静止画撮影モードの場合、イメージセンサの露光終了後、メカニカルシャッタ２を閉じてから読み出し駆動が開始されるため、フローティングディフュージョン部１０６への光の漏れこみによる電源変動の影響はない。

以上のように、第１の実施形態によれば、１画面内の読み出し動作の中でＶＯＢ領域とＨＯＢ領域を含む受光画素領域の読み出し駆動方法を、動画撮影モードにおいて、図６、図７のように変える。そのように駆動制御することで、動画撮影中に高輝度被写体を受光しても異常電圧をクランプすることなく、正常な信号を出力することができる。なお、高輝度被写体を受光していない画素では、容量１１１（ｃ０）には正常な電圧がクランプされるが、電源変動により保持容量１２１（ｃｔｎ）には異常電圧が保持されているので、結果的に行全体でレベル変動した出力になってしまう。これを保持容量１２１（ｃｔｎ）に遮光画素であるＶＯＢ領域からの信号で固定電圧を保持することで、行全体のレベル変動を抑えることができる。Ｎ信号は容量１１１（ｃ０）にクランプされることで、その後、保持容量１２０（ｃｔｓ）に保持される電圧は、実質的にＳ−Ｎ信号となり、正しい画素出力を得ることができる。

（第２の実施形態）
図１０は、本発明の第２の実施形態を説明する図である。本実施形態は、電源変動により図３の保持容量１２１（ｃｔｎ）への保持電圧が異常に低くなることがわかっている場合において有効である。図１０では、図３における列毎の読み出し回路の一部を示している。すなわち、図３のオペアンプ１１３の出力がパルスｐｔｓ、ｐｔｎ１、ｐｔｎ２で駆動されるＭＯＳスイッチ８１１、８１２、８１３を介して、それぞれ３つの保持容量に保持される。すなわち、第１の保持部である保持容量８１４（ｃｔｓ）、第２の保持部である保持容量８１５（ｃｔｎ１）、第３の保持部である保持容量８１６（ｃｔｎ２）に保持される。

さらに、保持容量８１４（ｃｔｓ）の保持電圧は、ＭＯＳトランジスタ８１７と定電流源８２０で構成されるソースフォロワアンプにより出力される。また、保持容量８１５（ｃｔｎ１）、８１６（ｃｔｎ２）の保持電圧は、ソースが共通接続されたＮチャネルＭＯＳトランジスタ８１８、８１９と定電流源８２１で構成されるソースフォロワアンプにより出力される。保持容量８１５（ｃｔｎ１）、８１６（ｃｔｎ２）の出力は、上記のようにＮチャネルＭＯＳトランジスタがワイヤードオア接続されているので、その電圧の高いほうがソースフォロワアンプから出力される。

１行分の画素信号が、列毎に保持容量８１４（ｃｔｓ）、８１５（ｃｔｎ１）、８１６（ｃｔｎ２）に保持されると、図２の水平選択回路３０４の水平シフトレジスタにより、パルスｐｈ（ｎ）が順次駆動される。そして、ＭＯＳスイッチ８２２、８２３が開閉され、後段の差動型読み出しアンプ８２４に入力され外部に出力される。なお、ここでは、水平方向の信号を加算平均させるＭＯＳトランジスタは省略している。

図１１、図１２は、図６、図７と同様にＣＭＯＳイメージセンサの動画撮像時のローリング読み出し動作を説明する図である。図１１では、ＶＯＢ領域の行に対する読み出し駆動を示し、図１２は、ＶＯＢ領域読み出し後のＨＯＢ部を含む受光画素領域の行に対する読み出し駆動を示している。また、フローティングディフュージョン部１０６の電圧ＶＦＤ及びイメージセンサ内部の電源変動についても示している。

図１１の読み出し駆動が図６と異なるのは、パルスｐｔｎ１とパルスｐｔｎ２があり、パルスｐｔｎ１は図６のパルスｐｔｎと全く同じで、パルスｐｔｎ２は全く駆動されない点である。また、図１２の読み出し駆動は、図１１に対してパルスｐｔｎ１とパルスｐｔｎ２の駆動が逆になっている。つまり、図１１のように、ＶＯＢ領域の行に対する読み出し駆動では、Ｎ信号を保持容量ｃｔｎ１に保持する。また、図１２のように、受光画素領域の行に対する読み出し駆動では、Ｎ信号を保持容量ｃｔｎ２に保持しており、その電圧が高いほうがソースフォロワアンプから出力される。高輝度被写体を受光した場合、電源変動により保持容量ｃｔｎ２への保持電圧が異常に低くなる場合においては、保持容量ｃｔｎ１の電圧がソースフォロワから出力される。

以上のように、第２の実施形態によれば、１画面内の読み出し動作の中で、ＶＯＢ領域とＨＯＢ領域を含む受光画素領域の読み出し駆動方法を、図１１、図１２のように変えることで、動画撮影中に高輝度被写体を受光しても、正常な信号を出力することができる。また、その駆動は動画撮影時においてのみ行えばよく、静止画撮影時などで、保持容量ｃｔｎ１、ｃｔｎ２を他の用途で使用することは何の問題も無い。

なお、上述した実施の形態における記述は、一例を示すものであり、これに限定するものではない。上述した実施の形態における構成及び動作に関しては、適宜変更が可能である。

（その他の実施例）
また、本発明は、以下の処理を実行することによっても実現される。即ち、上述した実施形態の機能を実現するソフトウェア（プログラム）を、ネットワーク又は各種記憶媒体を介してシステム或いは装置に供給し、そのシステム或いは装置のコンピュータ（またはＣＰＵやＭＰＵ等）がプログラムを読み出して実行する処理である。

１１ 画素部
１２ 読み出し回路
１０１ フォトダイオード
１０２ 転送ＭＯＳトランジスタ
１０３ リセットＭＯＳトランジスタ
１０４ 増幅ＭＯＳトランジスタ
１０６ フローティングディフュージョン部
１２０ 保持容量（ｃｔｓ）
１２１ 保持容量（ｃｔｎ）
１２６ 差動増幅器

Claims (6)

1. 光電変換部と、フローティングディフュージョン部と、前記光電変換部の電荷を前記フローティングディフュージョン部に転送する転送部と、前記フローティングディフュージョン部をリセットするリセット部と、前記フローティングディフュージョン部の電荷量に応じた電圧を増幅する増幅部とを各々が有する複数の画素が配置され、受光画素領域及び遮光画素領域からなる画素配列と、
   前記画素配列の各画素から電圧信号を読み出し、前記リセット部により前記フローティングディフュージョン部をリセットしたときに読み出されるリセット信号を保持する第１の保持部と、前記転送部により前記光電変換部の電荷を前記フローティングディフュージョン部に転送したときに読み出される画素信号を保持する第２の保持部とを有する読み出し回路と、
   前記第２の保持部に保持された画素信号と前記第１の保持部に保持されたリセット信号との差分を増幅する差動増幅部と、
   前記受光画素領域の画素から画素信号を読み出して前記第２の保持部に保持する場合に、前記第１の保持部に前記遮光画素領域の画素から読み出したリセット信号を保持し続けるように制御するとともに、前記受光画素領域の画素から読み出した画素信号と前記遮光画素領域の画素から読み出したリセット信号との差分を前記差動増幅部が増幅するように制御する制御手段と、
   を備えたことを特徴とする撮像装置。
2. 撮影モードを選択する撮影モード選択手段を備え、前記撮影モード選択手段により動画撮影モードが選択された場合に、前記受光画素領域の画素から画素信号を読み出して前記第２の保持部に保持する場合に、前記第１の保持部に前記遮光画素領域の画素から読み出したリセット信号を保持し続けるように制御するとともに、前記受光画素領域の画素から読み出した画素信号と前記遮光画素領域の画素から読み出したリセット信号との差分を前記差動増幅部が増幅するように前記制御手段が制御することを特徴とする請求項１に記載の撮像装置。
3. 前記制御手段は、前記受光画素領域の画素から電圧信号を読み出す際に、前記第１の保持部に前記受光画素領域の画素から読み出すリセット信号を保持しないように制御することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の撮像装置。
4. 前記読み出し回路は、さらに、前記リセット部により前記フローティングディフュージョン部をリセットしたときに読み出されるリセット信号を保持する第３の保持部を有し、前記制御手段は、前記第３の保持部に前記受光画素領域の画素から読み出したリセット信号を保持するように制御することを特徴とする請求項１に記載の撮像装置。
5. 前記第１の保持部と前記第３の保持部のいずれか一方に保持されたリセット信号を出力することを特徴とする請求項４に記載の撮像装置。
6. 光電変換部と、フローティングディフュージョン部と、前記光電変換部の電荷を前記フローティングディフュージョン部に転送する転送部と、前記フローティングディフュージョン部をリセットするリセット部と、前記フローティングディフュージョン部の電荷量に応じた電圧を増幅する増幅部とを各々が有する複数の画素が配置され、受光画素領域及び遮光画素領域からなる画素配列と、前記画素配列の各画素から電圧信号を読み出し、前記リセット部により前記フローティングディフュージョン部をリセットしたときに読み出されるリセット信号を保持する第１の保持部と、前記転送部により前記光電変換部の電荷を前記フローティングディフュージョン部に転送したときに読み出される画素信号を保持する第２の保持部とを有する読み出し回路と、前記第２の保持部に保持された画素信号と前記第１の保持部に保持されたリセット信号との差分を増幅する差動増幅部とを備えた撮像装置の制御方法であって、
   前記受光画素領域の画素から画素信号を読み出して前記第２の保持部に保持する場合に、前記第１の保持部に前記遮光画素領域の画素から読み出したリセット信号を保持し続けるように制御するとともに、前記受光画素領域の画素から読み出した画素信号と前記遮光画素領域の画素から読み出したリセット信号との差分を前記差動増幅部が増幅するように制御する制御ステップと、
   を備えたことを特徴とする撮像装置の制御方法。

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