JP2015167283A - 撮像装置、固体撮像素子及び固体撮像素子の駆動方法 - Google Patents

Abstract

【課題】第１信号蓄積部及び第２信号蓄積部を有する固体撮像素子での信号読み出しにかかる総時間を短縮できるようにする。【解決手段】選択した行の画素から垂直出力線に出力されたリセットレベル及び光信号レベルを蓄積する第１信号蓄積部と、第１信号蓄積部から転送されるリセットレベル及び光信号レベルを蓄積する第２信号蓄積部とを有する固体撮像素子を、第１信号蓄積部に既に蓄積されているｎ行目の画素のリセットレベルを第２信号蓄積部へ転送する期間とｎ行目の画素の光信号レベルを垂直出力線に出力させる期間の一部とを重複させて同時並列化し、第１信号蓄積部に既に蓄積されている（ｎ−１）行目の画素の光信号レベルを第２信号蓄積部へ転送する期間とｎ行目の画素のリセットレベルを垂直出力線に出力させる期間の一部とを重複させて同時並列化するように駆動する。【選択図】図４

Description

本発明は、撮像装置、固体撮像素子及び固体撮像素子の駆動方法に関する。

近年、固体撮像素子の多画素化が進み、それに伴い信号読み出しを高速化することが課題となっている。撮像素子の１行分の駆動期間は、大きく分けて水平ブランキング期間と水平転送期間との２つが存在する。水平ブランキング期間は、信号電荷を光電変換素子から浮遊拡散層部へ転送し、垂直出力線上に現れた信号電位を列毎に配置された信号蓄積部としてのキャパシタに転送する期間である。水平転送期間は、列毎のキャパシタに蓄積された画像信号を水平方向に順次選択して出力する期間である。通常、水平ブランキング期間の後に水平転送期間を設けるが、水平ブランキング期間における動作の一部と水平転送期間における動作とを同時に行うことによる高速読み出しのための技術も知られている。

特許文献１には、高速読み出しが可能となる撮像素子の構成と駆動方法が開示されている。特許文献１に記載の撮像素子は、二次元的に配置された複数の画素と、各列における複数の画素がそれぞれ接続された複数の垂直出力線とを備える。さらに、複数の垂直出力線により画素から転送されてきた画素信号を蓄積する第１信号蓄積部と、第１信号蓄積部から転送される画素信号を蓄積する第２信号蓄積部と、第２信号蓄積部に蓄積された画素信号を水平転送する水平転送部とを備える。そして、複数の垂直出力線により画素信号を画素から第１信号蓄積部に転送している間に、第２信号蓄積部にすでに蓄積されている画素信号を水平転送部により水平転送する。

特許文献１によれば、画素信号を画素から第１信号蓄積部に転送している期間（以下、第１の水平ブランキング期間と呼ぶ。）と水平転送期間とを同時並列化することができるので、高速読み出しが可能となっている。しかしながら、特許文献１では、画素信号の第１信号蓄積部から第２信号蓄積部への転送については明示されていないし、当該転送期間中は、水平転送期間及び第１の水平ブランキング期間のいずれにも並列化することができない。そのため、従来の水平ブランキング期間より第１の水平ブランキング期間を差し引いた第２の水平ブランキング期間（画素信号の第１信号蓄積部から第２信号蓄積部への転送期間と一致する。）は、読み出し時間として垂直行数分単純加算され残存している。

これに対し、第２の水平ブランキング期間における動作と水平転送期間における動作の一部を同時に行うことによる高速読み出しのための技術も提案されている。特許文献２に記載の撮像装置は、二次元状に配置された複数の画素からの画像信号を保持する第１信号蓄積部と、第１信号蓄積部から転送される画像信号を保持する第２信号蓄積部とを備える。さらに、第２信号蓄積部に保持された画像信号を出力する出力手段と、第２信号蓄積部を複数のブロックに分割し、複数のブロック毎に異なるタイミングで第１信号蓄積部から第２信号蓄積部への画像信号の転送を行うように制御する制御手段とを備える。

特許文献２によれば、複数のブロックに分割された第２信号蓄積部のうち既に前行の水平転送を終えたブロックに対しては、他のブロックが水平転送を行っている間であっても第１信号蓄積部から画像信号の転送を行うことができる。すなわち、第２の水平ブランキング期間と水平転送期間の一部とを同時並列化することができるので、高速な読み出しが可能となっている。

しかしながら、特許文献２は、水平ブランキング期間よりも水平転送にかかる総時間の方が長い場合に大きな効果が得られるものであって、水平ブランキング期間の方が水平転送期間よりも長くなる場合には、さほど効果的でない。例えば、非常に多チャンネルのセンサであって水平転送にかかる時間が短縮されている場合や、水平転送にかかる周波数が高い場合などは、水平ブランキング期間の方が水平転送期間よりも長くなることがある。また、同一行における第１信号蓄積部から第２信号蓄積部への画像信号の転送を複数のブロックで異なる時刻帯に行うため、外来ノイズの混入がブロック毎に異なり、画像においてブロック単位での段差等、境界が生じる可能性も考えられる。

特開２０１０−２０６６５３号公報 特開２０１０−１７１８１２号公報

本発明の目的は、前述したような第１信号蓄積部及び第２信号蓄積部を有する固体撮像素子での信号読み出しにかかる総時間を短縮できる撮像装置、固体撮像素子及びその駆動方法を提供することにある。

本発明に係る撮像装置は、それぞれが入射された光を光電変換する光電変換素子、画素をリセットしリセットレベルを出力させるリセット手段、及び光電変換により得られた光信号を画素から読み出し光信号レベルを出力させる転送手段を有し、二次元状に配置された複数の画素と、前記複数の画素が列毎にそれぞれ接続された複数の垂直出力線と、選択した行の画素から前記垂直出力線に出力された前記リセットレベル及び前記光信号レベルを蓄積する第１信号蓄積部と、前記第１信号蓄積部から転送される前記リセットレベル及び前記光信号レベルを蓄積する第２信号蓄積部と、前記第２信号蓄積部に蓄積された前記リセットレベル及び前記光信号レベルに応じた画像信号を出力する出力手段とを有する固体撮像素子と、前記第１信号蓄積部に既に蓄積されている、選択されている行の前記画素のリセットレベルを前記第２信号蓄積部へ転送する期間と、選択されている行の前記画素の光信号レベルを前記垂直出力線に出力させる期間の一部とを重複させるとともに、前記第１信号蓄積部に既に蓄積されている、１つ前に選択された行の前記画素の光信号レベルを前記第２信号蓄積部へ転送する期間と、選択されている行の前記画素のリセットレベルを前記垂直出力線に出力させる期間の一部とを重複させるように、前記固体撮像素子を駆動する駆動手段とを備えることを特徴とする。

本発明によれば、第１の水平ブランキング期間における動作と並列して、第１信号蓄積部から第２信号蓄積部への転送を行うので、第２の水平ブランキング期間を別に設ける必要がなく、信号読み出しにかかる総時間を短縮することができる。

本発明の実施形態に係る撮像装置の構成例を示す図である。 本実施形態に係る固体撮像素子の構成例を示す図である。 本実施形態に係る固体撮像素子の単位画素の等価回路図を示す図である。 本実施形態に係る固体撮像素子の駆動方法の例を示すタイミングチャートである。 本実施形態に係る固体撮像素子の駆動方法の他の例を示すタイミングチャートである。 本実施形態に係る固体撮像素子の他の構成例を示す図である。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。

図１は、本発明の一実施形態に係る撮像装置の全体構成の例を示すブロック図である。図１において、撮影光学系１は、レンズ、絞りやメカニカルシャッターを含む。固体撮像素子２は、例えばＣＭＯＳイメージセンサであり、撮影光学系１によって結像された被写体像を光電変換し電気信号として取り出す。Ａ／Ｄ変換器３は、固体撮像素子２から出力されたアナログ信号をアナログ−デジタル変換処理しデジタル信号に変換する。なお、Ａ／Ｄ変換器３は、固体撮像素子２にオンチップ化されていてもよい。

Ａ／Ｄ変換器３によりデジタル化された画像信号は、画像メモリ７に記憶され、信号処理回路６により、ホワイトバランス補正、ガンマ補正等の各種信号処理が施される。信号処理回路６による信号処理が施された画像信号は、インターフェイス回路である記録回路８を介して記録媒体９に記録される。また、信号処理回路６による信号処理が施された画像信号は、インターフェイス回路である表示回路１０を通して液晶ディスプレイなどの表示装置１１に表示することも可能である。表示装置１１はまた、これから撮像しようとする画像を連続的にライブで表示するライブビュー表示や、記録した動画の再生表示も可能である。

タイミング発生回路４は、駆動回路５を通して、撮影光学系１におけるレンズの絞りやメカニカルシャッター、及び固体撮像素子２の動作タイミングの制御を行うなどして撮像系を駆動する。また、タイミング発生回路４は、撮像系の駆動ひいては固体撮像素子２の出力信号に同期してＡ／Ｄ変換器３を駆動・制御する。タイミング発生回路４及び駆動回路５により、駆動手段としての機能が実現される。システム制御部１２は、揮発性メモリ１３に一時記憶されたプログラムを読み出して実行することにより撮像装置全体を制御する。不揮発性メモリ１４は、システム制御部１２による制御実行時に転送されるべきプログラムや各種データを格納している。

次に、本実施形態に係る固体撮像素子２の構成について説明する。図２は、本実施形態に係る固体撮像素子２の構成例を示す等価回路図である。固体撮像素子２は、撮影光学系１によって、被写体が結像されるべき画素領域２０を有している。画素領域２０には、光電変換素子や転送手段及びリセット手段等を含む複数の画素が、水平及び垂直に等間隔で二次元状に配置されている。

画像領域２０に配置される画素の構成について、図３を参照して説明する。図３は、固体撮像素子２が有する単位画素の構成を説明するための等価回路図の一例である。以下の説明においては、インデックス（ｎ，ｍ）は、画素領域２０においてｎ行目かつｍ列目に存在する単位画素における構成要素を表すものとする。

マイクロレンズ２００（ｎ，ｍ）は、単一もしくは複数の光電変換素子をその径内に含む。光電変換素子２０１（ｎ，ｍ）は、例えばフォトダイオード（ＰＤ）であり、Ｎ型の半導体領域を含み、入射された光を電気信号に変換する光電変換機能を有するとともに電荷蓄積部としての機能も兼ねる。光電変換素子２０１（ｎ，ｍ）で発生した信号電荷は、転送トランジスタ２０３（ｎ，ｍ）を介して電荷電圧変換部２０２（ｎ，ｍ）に転送される。

転送トランジスタ２０３（ｎ，ｍ）は、制御線Ｔｘ（ｎ）の信号レベルにより導通／非導通（オン／オフ）が制御される。すなわち、制御線Ｔｘ（ｎ）の信号レベルがハイレベル（以下、“Ｈ”と記す）のとき、転送トランジスタ２０３（ｎ，ｍ）はオン（導通状態）とされる。制御線Ｔｘ（ｎ）の信号レベルがローレベル（以下、“Ｌ”と記す）のとき、転送トランジスタ２０３（ｎ，ｍ）はオフ（非導通状態）とされる。制御線Ｔｘは、水平方向（行方向）に複数配置された光電変換素子２０１に対し共通に与えられているので、インデックスは行番号を表すｎのみに依存するよう書き表している。

電荷電圧変換部２０２（ｎ，ｍ）は、例えば浮遊拡散層部（フローティングディフュージョン部）であり、Ｎ型の半導体領域を含み、光電変換素子２０１と同様に電荷蓄積部としての機能も兼ねる。光電変換素子２０１及び電荷電圧変換部２０２による電荷蓄積部としての機能の使い分けは、光電変換素子２０１から電荷電圧変換部２０２への信号電荷の転送の前後に対応するにすぎない。

電荷電圧変換部２０２（ｎ，ｍ）は、さらに、制御線Ｒｘ（ｎ）により制御されるリセットトランジスタ２０４（ｎ，ｍ）を介して、図４や図５に示すタイミングチャートの周期で、電源電圧ＶＤＤによりリセットすることができる。制御線Ｒｘ（ｎ）を“Ｈ”にすることにより、リセットトランジスタ２０４（ｎ，ｍ）はオン（導通状態）となり、電荷電圧変換部２０２（ｎ，ｍ）のリセットが行われる。

このリセットの後にリセットトランジスタ２０４（ｎ，ｍ）はオフ（非導通状態）とされるので、電荷電圧変換部２０２（ｎ，ｍ）が電気的に浮遊（フローティング）状態となる。その後、光電変換素子２０１（ｎ，ｍ）より電荷電圧変換部２０２（ｎ，ｍ）に信号電荷が転送されると、転送された信号電荷に対応する分だけ電位が電源電圧ＶＤＤよりも降下する。これを信号として読み取ることで、アナログ電気信号を出力する。ここで、信号電荷に対応する電位とは、信号電荷量を、電荷電圧変換部２０２の持つ容量で除算し、後述するソースフォロワ回路の電圧増幅率を乗じた電位である。

電荷電圧変換部２０２（ｎ，ｍ）はまた、増幅トランジスタ２０５（ｎ，ｍ）のゲートに接続されている。制御線Ｓｘ（ｎ）により制御される選択トランジスタ２０６（ｎ，ｍ）のオン動作により、垂直出力線Ｖｍに接続された、図示しない定電流源とソースフォロワ回路を構成し、信号電荷に対応する電位を伝達する。

垂直出力線Ｖｍは、垂直方向（列方向）に関して複数の画素が列毎に共通に接続され、選択された画素からの信号を出力する。垂直出力線Ｖｍは、水平方向（行方向）に複数配置された電荷電圧変換部２０２に関しては１対１に対応して存在している、すなわち列毎に存在していることから、インデックスは列番号を表すｍのみに依存するよう書き表している。以上のような単位画素での信号電荷から電圧への変換、及び信号増幅等における各要素は、従来と同様である。

図２においては、図３に示した画素を、垂直及び水平に、等間隔で４行×６列分配列した例を示している。４行×６列という画素領域２０内の画素数は、説明の便宜上設定したものであり、実用的には画素領域２０内の画素数が数百万から数千万画素程度のものが用いられている。また、図２において、画素に関わる制御線Ｒｘ（ｎ）、Ｔｘ（ｎ）、Ｓｘ（ｎ）については煩雑となるために図示を省略しているが、垂直走査回路２１による垂直行指定に連動して制御される。

図２に示した例において、垂直出力線Ｖｍは、４つの行の画素が共通に接続されている一方、水平方向に配置された６つの電荷電圧変換部２０２に関して１対１に対応して、計６本存在している。６本のうち半数の３本が、画素領域２０に対して一方の側に配置された第１信号蓄積部へ、残りの３本が、画素領域２０に対して他方の側に配置された第１信号蓄積部へ、と接続されている。後述するが、画素領域２０に対して一方の側に第１の出力端子に接続される第１の出力回路２３Ｕが配置され、画素領域２０に対して他方の側に第２の出力端子に接続される第２の出力回路２３Ｄが配置されている。これらが偶数列と奇数列とに分かれて並列に出力する多チャンネル化の一例である。

垂直出力線Ｖｍの電荷電圧変換部２０２側でない方の端部には、第１信号蓄積部としてのキャパシタＣ１ｍ１及びＣ１ｍ２が接続されている。第１信号蓄積部としてのキャパシタＣ１ｍ１及びＣ１ｍ２は、一行状に水平に設けられており、垂直出力線Ｖｍの電位を信号として転送する１行分のメモリとしての機能を実現する。第１信号蓄積部としては、信号電荷転送前の電位に対応した、すなわちリセットレベルを蓄積するキャパシタと、信号電荷転送後の電位に対応した、すなわち光信号レベルを蓄積するキャパシタとの２つを設けている。

なお、制御線Ｐ１＿１及びＰ１＿２によりそれぞれ制御されるトランジスタを介して、電荷電圧変換部２０２から第１信号蓄積部としてのキャパシタＣ１ｍ１及びＣ１ｍ２への信号転送が行われる。また、第１信号蓄積部の前段に、信号電圧を増幅する増幅回路を設けるようにしてもよい。増幅回路は、高撮影感度（高ＩＳＯ）での撮影時における暗部のノイズを低減する手段として有用であるため広く用いられているが、本発明にとって必須の構成ではないため、図２では省略している。

第１信号蓄積部としてのキャパシタＣ１ｍ１及びＣ１ｍ２の後段には、第２信号蓄積部としてのキャパシタＣ２ｍ１及びＣ２ｍ２が配置されている。第２信号蓄積部としてのキャパシタＣ２ｍ１及びＣ２ｍ２は、一行状に水平に設けられており、対応する第１信号蓄積部としてのキャパシタＣ１ｍ１及びＣ１ｍ２の電位をさらに信号として転送する１行分のメモリとしての機能を実現する。制御線Ｐ２＿１及びＰ２＿２によりそれぞれ制御されるトランジスタを介して、第１信号蓄積部としてのキャパシタＣ１ｍ１及びＣ１ｍ２から第２信号蓄積部としてのキャパシタＣ２ｍ１及びＣ２ｍ２への信号転送が行われる。

また、第１信号蓄積部としてのキャパシタＣ１ｍ１及びＣ１ｍ２と第２信号蓄積部としてのキャパシタＣ２ｍ１及びＣ２ｍ２との間に、バッファとして、いわゆるボルテージフォロワ回路Ｆ＿ｍ１及びＦ＿ｍ２を設けている。ボルテージフォロワ回路Ｆ＿ｍ１及びＦ＿ｍ２は、第２信号蓄積部の持つ容量負荷を十分に早い時間で駆動するとともに、第１信号蓄積部に蓄積された電位と等しい電位を第２信号蓄積部に伝達する機能がある。

垂直走査回路２１は、図３に示した転送トランジスタ２０３、リセットトランジスタ２０４及び選択トランジスタ２０６を、図４や図５に示すタイミングチャートに示すタイミングで、垂直方向に順次オンするよう垂直行指定を送る。水平走査回路２２Ｕ、２２Ｄは、第２信号蓄積部としてのキャパシタＣ２ｍ１及びＣ２ｍ２に蓄積された電位を、出力回路２３Ｕ、２３Ｄに出力するべく水平方向に関して順次走査するよう機能する。

出力回路２３Ｕ、２３Ｄは、例えば信号電荷転送後の電位（光信号レベルに相当）と信号電荷転送前の電位（リセットレベルに相当）を差し引きして出力する差動回路構成となっている。これにより、ノイズ除去済みのいわゆるＳ−Ｎ信号を画像信号として得ることができる。なお、出力回路２３Ｕ、２３Ｄに接続された信号線を水平出力線と称することもある。また、水平走査や差分信号の出力を合わせて、水平転送と称することもある。

第２信号蓄積部から水平出力線への電位転送時には、第２信号蓄積部としてキャパシタＣ２ｍ１及びＣ２ｍ２の容量Ｃ２と水平出力線の容量ＣＨとの間で容量分割比Ｃ２／（Ｃ２＋ＣＨ）倍に電位が低下する。出力回路２３Ｕ、２３Ｄは、この低下した電位どうしの差分を、対応する出力端子から出力することとなる。

また、水平転送においては、１行分の信号につき複数列に及ぶ画素が対応していて水平方向に順次走査していくので、前述のように低下した電位は、水平出力線上で順次情報を失いながら、いわば水平方向に破壊読み出ししていく。一方、第１信号蓄積部に蓄積された電位は、水平転送期間において制御線Ｐ２＿１及びＰ２＿２により制御されるトランジスタがいずれもオフ状態にあるため、水平方向に破壊されることはなく、新たな信号転送がない限り、電位を保持している。

図４は、本実施形態に係る固体撮像素子２の駆動方法の例を示すタイミングチャートである。図４に示すタイミングチャートに従った固体撮像素子２の駆動は、タイミング発生回路４及び駆動回路５により実現される。以下、このタイミングチャートに従って、固体撮像素子２の具体的な動作を説明する。

図４に示すタイミングチャートは、水平同期信号が表している通り、垂直走査回路２１がｎ行目を一時に選択したうえでの、各制御線の信号レベルを時刻毎に示したものである。したがって、図４に示した動作が完了すれば、垂直走査回路２１は、次の行として例えば（ｎ＋１）行目を選択し、図４に示した動作を繰り返す。このような繰り返しは、選択可能な行が存在しなくなるまで継続される。

時刻ｔ１において、水平同期信号の立ち上がりとともに、選択されたｎ行目の制御線Ｓｘ（ｎ）が“Ｌ”から“Ｈ”に立ち上がり、選択トランジスタ２０６（ｎ，ｍ）がオン（導通状態）になる。これにより、選択されたｎ行目に対応する画素の電荷電圧変換部２０２（ｎ，ｍ）は、すべて垂直出力線Ｖｍと接続される。なお、時刻ｔ２の前に、水平同期信号が立ち下がっているが、これは同期信号が持つ情報として十分なだけ“Ｈ”が維持されていればよいので、立ち下がり時刻は限定されるものではない。

時刻ｔ２において、制御線Ｒｘ（ｎ）が“Ｌ”から“Ｈ”に立ち上がり、ｎ行目のリセットトランジスタ２０４（ｎ，ｍ）がオン（導通状態）になってｎ行目に対応する画素の電荷電圧変換部２０２（ｎ，ｍ）は、すべて電源電圧ＶＤＤでリセットされる。こうして電荷電圧変換部２０２（ｎ，ｍ）の電位は、略ＶＤＤとなる。この電位状態は、時刻ｔ３において、制御線Ｒｘ（ｎ）が“Ｈ”から“Ｌ”に立ち下がり、リセットトランジスタ２０４（ｎ，ｍ）がオフ（非導通状態）になった時点ではほとんど変化しない。また、時刻ｔ３において、リセットトランジスタ２０４（ｎ，ｍ）がオフ状態となったので、時刻ｔ３以降、電荷電圧変換部２０２（ｎ，ｍ）は浮遊（フローティング）状態となっている。

続いて、時刻ｔ３以降このような浮遊（フローティング）状態となっている電荷電圧変換部２０２（ｎ，ｍ）の詳細なる電位を、第１信号蓄積部としてのキャパシタＣ１ｍ１でなる１行分のメモリに信号として転送する。そのため、制御線Ｐ１＿１を、時刻ｔ４において“Ｌ”から“Ｈ”に立ち上げ、時刻ｔ５において“Ｌ”に立ち下げる。これにより、リセットレベルに対応する電位が、第１信号蓄積部としてのキャパシタＣ１ｍ１に保持される。

次に、時刻ｔ６において、制御線Ｔｘ（ｎ）が“Ｌ”から“Ｈ”に立ち上がり、ｎ行目の転送トランジスタ２０３（ｎ，ｍ）がオン（導通状態）になる。これにより、ｎ行目の画素の光電変換素子２０１（ｎ，ｍ）に光電変換により蓄積されていた信号電荷のすべてが、電荷電圧変換部２０２（ｎ，ｍ）に転送される。信号電荷の転送に十分な時間が経過した時刻ｔ７において、制御線Ｔｘ（ｎ）が“Ｈ”から“Ｌ”に立ち下がる。

続いて、浮遊（フローティング）状態の電位に、光電変換素子２０１（ｎ，ｍ）の信号電荷に対応する電位を加えた電荷電圧変換部２０２（ｎ，ｍ）の詳細なる電位を、第１信号蓄積部としてのキャパシタＣ１ｍ２でなる１行分のメモリに信号として転送する。そのため、制御線Ｐ１＿２を、時刻ｔ８において“Ｌ”から“Ｈ”に立ち上げ、時刻ｔ９において“Ｌ”に立ち下げる。これにより、光信号レベルに対応する電位が、第１信号蓄積部としてのキャパシタＣ１ｍ２に保持される。

その後の時刻ｔ１０において、制御線Ｓｘ（ｎ）が“Ｈ”から“Ｌ”に立ち下がり、ｎ行目に対応する画素の電荷電圧変換部２０２（ｎ，ｍ）と垂直出力線Ｖｍとの接続が終了する。以上が、本実施形態に係る固体撮像素子２の駆動タイミングのうち、従来と同様の第１の水平ブランキング期間に相当する期間の説明である。この期間は、ｎ行目の光信号レベルとリセットレベルに対応する信号の差分を出力するために欠くことのできない期間となっている。

前述した特許文献１によれば、以上のようにして完了する第１の水平ブランキング期間の後、第１信号蓄積部から第２信号蓄積部への信号の転送期間を、水平転送期間とは独立して、第２の水平ブランキング期間として設けなければならない。それに対して、本実施形態では、第１信号蓄積部から第２信号蓄積部への信号の転送期間、言い換えれば従来の第２の水平ブランキング期間を、第１の水平ブランキング期間に内包するように固体撮像素子２を駆動する。

本実施形態では、リセットレベルを第１信号蓄積部から第２信号蓄積部へ転送する期間と、光信号レベルを垂直出力線に出力させる期間の一部とを重複させ同時並列化する。また、光信号レベルを第１信号蓄積部から第２信号蓄積部へ転送する期間と、リセットレベルを垂直出力線に出力させる期間の一部とを重複させ同時並列化する。これにより、従来でいうところの第２の水平ブランキング期間を、第１の水平ブランキング期間に内包させ、第２の水平ブランキング期間分の時間を削減することができ、信号読み出しにかかる総時間を短縮することができる。

図４を参照して、従来の第２の水平ブランキング期間に相当する駆動タイミングについて説明する。なお、図４に示した例では、時刻ｔ２から時刻ｔ３の間及び時刻ｔ８から時刻ｔ９の間がその期間に相当するが、当該期間は、図４に示した例に限定されるものでなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で設計可能である。

まず、従来の第２の水平ブランキング期間にて行われる動作のうち、第１信号蓄積部に蓄積されている光信号レベルの第２信号蓄積部への転送について説明する。図４に示した例において、時刻ｔ２から時刻ｔ３の期間は、第１の水平ブランキング期間においてｎ行目に対応する画素の電荷電圧変換部２０２（ｎ，ｍ）を電源電圧ＶＤＤでリセットするための期間である。すなわち、ｎ行目の画素からの光信号レベルの読み出し前であって、ｎ行目の画素からの光信号レベルを第１信号蓄積部に転送することの起こり得ない期間である。

本実施形態では、この期間を利用して制御線Ｐ２＿２を“Ｈ”とし、前の選択行、例えば（ｎ−１）行目の画素からの光信号レベルを第１信号蓄積部から第２信号蓄積部へ転送する。そして、ｎ行目の画素から光信号電荷を出力し始める時刻ｔ６、もしくはそれを第１信号蓄積部に転送する時刻ｔ８よりも前に、制御線Ｐ２＿２を“Ｌ”として、（ｎ−１）行目の画素からの光信号レベルが第２信号蓄積部に転送され終える。このように駆動することで、時刻ｔ６もしくは時刻ｔ８よりも前には、第１信号蓄積部のうち光信号レベルに対応するキャパシタが空となるため、ｎ行目の画素からの光信号電荷の出力や光信号レベルの第１信号蓄積部への転送が可能となる。

次に、従来の第２の水平ブランキング期間にて行われる動作のうち、第１信号蓄積部に蓄積されているリセットレベルの第２信号蓄積部への転送について説明する。図４に示した例において、時刻ｔ８から時刻ｔ９の期間は、第１の水平ブランキング期間においてｎ行目に対応する画素の電荷電圧変換部２０２（ｎ，ｍ）から光信号レベルを第１信号蓄積部へ転送するための期間である。

本実施形態では、ｎ行目の画素からの光信号レベルを第１信号蓄積部へ転送している期間を利用して、制御線Ｐ２＿１を“Ｈ”とし、既に第１信号蓄積部に蓄積されているｎ行目の画素からのリセットレベルを第２信号蓄積部へ転送する。ここで、光信号電荷の電荷電圧変換部２０２（ｎ，ｍ）への転送には時間がかかり、また、その出力された垂直出力線Ｖｍの電位の安定にも時間を要するため、時刻ｔ６から時刻ｔ９の期間には時間的なゆとりのあることが多い。そこで、本実施形態では、この時間的な余裕を利用して、ｎ行目の画素からのリセットレベルを第１信号蓄積部から第２信号蓄積部へ転送する。

このように、第１の水平ブランキング期間において、第２の水平ブランキング期間に対応する動作を行うことで、第２の水平ブランキング期間を別に設ける必要がなく、信号読み出しにかかる総時間を短縮することができる。

また、十分な多チャンネル出力構成や高い水平転送駆動周波数によってチャンネルあたりの水平転送期間を短縮できれば、水平走査期間を第１の水平ブランキング期間の一部と同時並列化するように固体撮像素子２を駆動する。この場合には、信号読み出しにかかる総時間を、第１の水平ブランキング期間の総時間と等しくなるまで短縮することが可能となる。光信号レベルを第１信号蓄積部から第２信号蓄積部へ転送し制御線Ｐ２＿２を“Ｌ”にした後、リセットレベルを第１信号蓄積部から第２信号蓄積部へ転送するために制御線Ｐ２＿１を“Ｈ”とする前に、水平走査回路２２により水平走査信号を発生させる。制御線Ｐ２＿２を“Ｌ”にした後、制御線Ｐ２＿１を“Ｈ”とするまでの期間より水平転送期間を短縮できれば、すべての差動出力信号を出力回路２３より出力し終えることが可能である。

本実施形態において、光信号レベルの第２信号蓄積部への転送及びリセットレベルの第２信号蓄積部への転送にかかる期間を、第１の水平ブランキング期間内でどのように規定されるべきかを、具体例を示しながらさらに詳細に説明する。図５は、本実施形態に係る固体撮像素子２の駆動方法の他の例を示すタイミングチャートである。図５に示した例では、ｎ行目を選択する制御線Ｓｘ（ｎ）が“Ｈ”に立ち上がった後に早い段階で、光信号レベルの第２信号蓄積部への転送を制御する制御線Ｐ２＿２を“Ｈ”に立ち上げる。制御線Ｐ２＿２が“Ｈ”である期間が、ｎ行目に対応する画素の電荷電圧変換部２０２のリセットするために制御線Ｒｘ（ｎ）が“Ｈ”である期間等と一部重複しても構わない。

また、図５に示した例では、制御線Ｐ１＿２が“Ｈ”となってｎ行目の画素の光信号電荷を出力する期間の内の遅い部分で、リセットレベルの第２信号蓄積部への転送を制御する制御線Ｐ２＿１を“Ｈ”に立ち上げる。さらに、制御線Ｐ１＿２を“Ｈ”から“Ｌ”にする以前に、制御線Ｐ２＿１を“Ｈ”から“Ｌ”としている。この理由は、第１信号蓄積部への光信号転送にあっては、垂直出力線Ｖｍに現れた電荷電圧変換部２０２の電位の振幅が大きいために垂直出力線の抵抗成分を介したキャパシタＣ１ｍ２への転送に時間がかかるので、この期間をできるだけ有効に使うことにある。また、光信号電荷の転送期間（制御線Ｔｘ（ｎ）が“Ｈ”である期間）や制御線Ｔｘ（ｎ）が“Ｌ”に変化してからの時間も、制御線Ｐ１＿２の制御にとっては重要な決定因子となっている。

なお、図５に示した例では、制御線Ｒｘ、Ｔｘ、Ｐ１＿１及びＰ１＿２が“Ｈ”である期間を等長としているが、実際には長短の違いが生じている。図５に示したタイミングチャートは、そのような第１の水平ブランキング期間の特徴を踏まえ、水平走査信号の出力期間をできるだけ長く設定できるようにしたものである。

以上のように、図５に示したように固体撮像素子２を駆動することで、水平走査信号の出力期間を長く設定することができる。これにより、水平転送駆動周波数を低くして低消費電力化したり、出力チャンネル数を少なくして発熱を抑制するなどのメリットを享受したりすることができる。

なお、光信号レベルの第２信号蓄積部への転送を制御する制御線Ｐ２＿２を“Ｈ”とする期間を遅れた期間、例えばｎ行目のリセットレベルの出力期間である制御線Ｐ１＿１が“Ｈ”である期間に含めることも可能である。最大では、ｎ行目の光信号レベルの第１信号蓄積部への転送を開始するために制御線Ｐ１＿２を“Ｈ”に立ち上げるまでに、制御線Ｐ２＿２を“Ｌ”に立ち下げることができれば、本発明を実現したことになる。したがって、制御線Ｐ１＿２を“Ｈ”に立ち上げる前に、制御線Ｐ２＿２を“Ｌ”に立ち下げるのであれば、光信号レベルの第１信号蓄積部への転送期間が終了した後の任意の期間を制御線Ｐ２＿２を“Ｈ”とする期間とすることが可能である。

同様に、リセットレベルの第２信号蓄積部への転送を制御する制御線Ｐ２＿１を“Ｈ”とする期間を早めた期間、例えばｎ行目の光信号電荷の転送期間である制御線Ｔｘ（ｎ）が“Ｈ”である期間に含めることも可能である。なお、時刻ｔ７から時刻ｔ８の間に、制御線Ｐ２＿１を“Ｌ”から“Ｈ”に立ち上げることも可能である。最大では、ｎ行目のリセットレベルの出力を終了する制御線Ｐ１＿１の“Ｌ”への立ち下がり以降に、制御線Ｐ２＿１を“Ｈ”に立ち上げるのであれば、本発明を実現したことになる。

ただし、制御線Ｐ２＿１及びＰ２＿２の設定自由度は互いに独立ではなく、時間的に制御線Ｐ２＿１の方が制御線Ｐ２＿２よりも後に“Ｈ”である期間が現れるようにしなければならない。また、制御線Ｐ２＿１の立ち下げから制御線Ｐ２＿２の立ち上げまでに間に、水平走査信号を出力し水平転送を行わなければならないのは言うまでもない。

図６は、本実施形態に係る固体撮像素子２の他の構成例を示す図である。図６に示す固体撮像素子２も、図４や図５に示したタイミングチャートの駆動タイミングでの駆動が可能である。図６において、図２に示した構成要素と同一の機能を有する構成要素には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。

図６に示した固体撮像素子２は、光信号レベルの転送に係るボルテージフォロワ回路とリセットレベルの転送に係るボルテージフォロワ回路とを共通化し、垂直出力線１本あたり１個の構成に削減した点が、図２に示した固体撮像素子２と異なる。前述した図４や図５に示したタイミングチャートから明らかなように、本実施形態において第１信号蓄積部から第２信号蓄積部への転送は、光信号レベルとリセットレベルとで別の時刻帯に実行する。したがって、第１信号蓄積部から第２信号蓄積部への転送用のボルテージフォロワ回路を１つのボルテージフォロワ回路Ｆ＿ｍに共通化することができて、例えば削減した回路分だけ消費電力を削減することもできる。さらに、リセットレベルの転送時と光信号レベルの転送時とで生じる回路ばらつきに起因するノイズの削減にも寄与する。なお、ボルテージフォロワ回路を共通化するのに伴い、制御線Ｐ２＿１及びＰ２＿２により制御される第２信号蓄積部への転送用のトランジスタをボルテージフォロワ回路の入力側に配置している。

また、本実施形態における固体撮像素子２の他の構成として、第１信号蓄積部の前段に、電圧増幅回路を設ける構成であっても良く、前述したタイミングチャートの駆動タイミングでの駆動は可能である。

以上説明したように、本実施形態によれば、第１の水平ブランキング期間の一部である光信号レベルの出力期間内に従来の第２の水平ブランキング期間の一部であるリセットレベルの第２信号蓄積部への転送期間を含めることができる。また、第１の水平ブランキング期間の一部である画素リセット期間もしくはリセットレベルの出力期間内に従来の第２の水平ブランキング期間の一部である光信号レベルの第２信号蓄積部への転送を含めることができる。これにより、従来のように第２の水平ブランキング期間を別に設ける必要がなく、第２の水平ブランキング期間を第１の水平ブランキング期間に内包することができ、画像信号の読み出しにかかる総時間を短縮することができる。

（本発明の他の実施形態）
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、前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。

なお、前記実施形態は、何れも本発明を実施するにあたっての具体化のほんの一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。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。

１：撮像光学系 ２：固体撮像素子 ４：タイミング発生回路 ５：駆動回路 １２：システム制御部 ２０：画素領域 ２１：垂直走査回路 ２２Ｕ、２２Ｄ：水平走査回路 ２３Ｕ、２３Ｄ：出力回路 ２００：マイクロレンズ ２０１：光電変換素子 ２０２：電荷電圧変換部 ２０３：転送トランジスタ ２０４：リセットトランジスタ ２０５：増幅トランジスタ ２０６：選択トランジスタ Ｖｍ：垂直出力線 Ｃ１ｍ１、Ｃ１ｍ２：キャパシタ（第１信号蓄積部） Ｃ２ｍ１、Ｃ２ｍ２：キャパシタ（第２信号蓄積部） Ｆ＿ｍ１、Ｆ＿ｍ２、Ｆ＿ｍ：ボルテージフォロワ回路 Ｐ１＿１、Ｐ１＿２、Ｐ２＿１、Ｐ２＿２：制御線

Claims (13)

1. それぞれが入射された光を光電変換する光電変換素子、画素をリセットしリセットレベルを出力させるリセット手段、及び光電変換により得られた光信号を画素から読み出し光信号レベルを出力させる転送手段を有し、二次元状に配置された複数の画素と、
   前記複数の画素が列毎にそれぞれ接続された複数の垂直出力線と、
   選択した行の画素から前記垂直出力線に出力された前記リセットレベル及び前記光信号レベルを蓄積する第１信号蓄積部と、
   前記第１信号蓄積部から転送される前記リセットレベル及び前記光信号レベルを蓄積する第２信号蓄積部と、
   前記第２信号蓄積部に蓄積された前記リセットレベル及び前記光信号レベルに応じた画像信号を出力する出力手段とを有する固体撮像素子と、
   前記第１信号蓄積部に既に蓄積されている、選択されている行の前記画素のリセットレベルを前記第２信号蓄積部へ転送する期間と、選択されている行の前記画素の光信号レベルを前記垂直出力線に出力させる期間の一部とを重複させるとともに、前記第１信号蓄積部に既に蓄積されている、１つ前に選択された行の前記画素の光信号レベルを前記第２信号蓄積部へ転送する期間と、選択されている行の前記画素のリセットレベルを前記垂直出力線に出力させる期間の一部とを重複させるように、前記固体撮像素子を駆動する駆動手段とを備えることを特徴とする撮像装置。
2. 前記駆動手段は、前記第１信号蓄積部に蓄積されている、１つ前に選択された行の前記画素の光信号レベルを前記第２信号蓄積部へ転送する期間の後、前記第１信号蓄積部に蓄積されている、選択されている行の前記画素のリセットレベルを前記第２信号蓄積部へ転送する期間の前に、前記第２信号蓄積部に蓄積された前記リセットレベル及び前記光信号レベルを前記出力手段に出力するように前記固体撮像素子を駆動することを特徴とする請求項１記載の撮像装置。
3. 前記駆動手段は、選択されている行の前記画素から光信号の読み出しが開始された後に、前記第１信号蓄積部に蓄積されている、選択されている行の前記画素のリセットレベルの前記第２信号蓄積部への転送を開始させることを特徴とする請求項１又は２記載の撮像装置。
4. 前記駆動手段は、選択されている行の前記画素から光信号の読み出しが終了した後に、前記第１信号蓄積部に蓄積されている、選択されている行の前記画素のリセットレベルの前記第２信号蓄積部への転送を開始させることを特徴とする請求項１又は２記載の撮像装置。
5. 前記駆動手段は、選択されている行の前記画素の光信号レベルの前記第１信号蓄積部への転送を開始した後に、前記第１信号蓄積部に蓄積されている、選択されている行の前記画素のリセットレベルの前記第２信号蓄積部への転送を開始させることを特徴とする請求項１又は２記載の撮像装置。
6. 前記駆動手段は、選択されている行の前記画素から光信号の読み出しが開始される前に、前記第１信号蓄積部に蓄積されている、１つ前に選択された行の前記画素の光信号レベルの前記第２信号蓄積部への転送を終了させることを特徴とする請求項１〜５の何れか１項に記載の撮像装置。
7. 前記駆動手段は、選択されている行の前記画素のリセットレベルの前記第１信号蓄積部への転送を終了する前に、前記第１信号蓄積部に蓄積されている、１つ前に選択された行の前記画素の光信号レベルの前記第２信号蓄積部への転送を終了させることを特徴とする請求項１〜５の何れか１項に記載の撮像装置。
8. 前記駆動手段は、選択されている行の前記画素のリセットレベルの前記第１信号蓄積部への転送を開始する前に、前記第１信号蓄積部に蓄積されている、１つ前に選択された行の前記画素の光信号レベルの前記第２信号蓄積部への転送を終了させることを特徴とする請求項１〜５の何れか１項に記載の撮像装置。
9. 前記駆動手段は、選択されている行の前記画素の前記リセット手段によるリセットが終了する前に、前記第１信号蓄積部に蓄積されている、１つ前に選択された行の前記画素の光信号レベルの前記第２信号蓄積部への転送を終了させることを特徴とする請求項１〜５の何れか１項に記載の撮像装置。
10. 前記駆動手段は、選択されている行の前記画素の前記リセット手段によるリセットが開始される前に、前記第１信号蓄積部に蓄積されている、１つ前に選択された行の前記画素の光信号レベルの前記第２信号蓄積部への転送を開始させ、前記リセット手段によるリセットが開始された後に前記第２信号蓄積部への転送を終了させることを特徴とする請求項１〜５の何れか１項に記載の撮像装置。
11. 前記固体撮像素子は、前記第１信号蓄積部と前記第２信号蓄積部との間にボルテージフォロワ回路をさらに有し、
    前記画素のリセットレベルの前記第２信号蓄積部への転送、及び前記画素の光信号レベルの前記第２信号蓄積部への転送は、共通の前記ボルテージフォロワ回路を用いて行うことを特徴とする請求項１〜１０の何れか１項に記載の撮像装置。
12. それぞれが入射された光を光電変換する光電変換素子、画素をリセットしリセットレベルを出力させるリセット手段、及び光電変換により得られた光信号を画素から読み出し光信号レベルを出力させる転送手段を有し、二次元状に配置された複数の画素と、
    前記複数の画素が列毎にそれぞれ接続された複数の垂直出力線と、
    選択した行の画素から前記垂直出力線に出力された前記リセットレベル及び前記光信号レベルを蓄積する第１信号蓄積部と、
    前記第１信号蓄積部から転送される前記リセットレベル及び前記光信号レベルを蓄積する第２信号蓄積部と、
    前記第２信号蓄積部に蓄積された前記リセットレベル及び前記光信号レベルに応じた画像信号を出力する出力手段とを有し、
    前記第１信号蓄積部に既に蓄積されている、選択されている行の前記画素のリセットレベルを前記第２信号蓄積部へ転送する期間と、選択されている行の前記画素の光信号レベルを前記垂直出力線に出力させる期間の一部とを重複させるように駆動されるとともに、前記第１信号蓄積部に既に蓄積されている、１つ前に選択された行の前記画素の光信号レベルを前記第２信号蓄積部へ転送する期間と、選択されている行の前記画素のリセットレベルを前記垂直出力線に出力させる期間の一部とを重複させるように駆動されることを特徴とする固体撮像素子。
13. それぞれが入射された光を光電変換する光電変換素子、画素をリセットしリセットレベルを出力させるリセット手段、及び光電変換により得られた光信号を画素から読み出し光信号レベルを出力させる転送手段を有し、二次元状に配置された複数の画素と、前記複数の画素が列毎にそれぞれ接続された複数の垂直出力線と、選択した行の画素から前記垂直出力線に出力された前記リセットレベル及び前記光信号レベルを蓄積する第１信号蓄積部と、前記第１信号蓄積部から転送される前記リセットレベル及び前記光信号レベルを蓄積する第２信号蓄積部と、前記第２信号蓄積部に蓄積された前記リセットレベル及び前記光信号レベルに応じた画像信号を出力する出力手段とを有する固体撮像素子の駆動方法であって、
    前記第１信号蓄積部に既に蓄積されている、選択されている行の前記画素のリセットレベルを前記第２信号蓄積部へ転送する期間と、選択されている行の前記画素の光信号レベルを前記垂直出力線に出力させる期間の一部とを重複させるように前記固体撮像素子を駆動し、
    前記第１信号蓄積部に既に蓄積されている、１つ前に選択された行の前記画素の光信号レベルを前記第２信号蓄積部へ転送する期間と、選択されている行の前記画素のリセットレベルを前記垂直出力線に出力させる期間の一部とを重複させるように前記固体撮像素子を駆動することを特徴とする駆動方法。

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