JP2015173387A - 撮像素子、その駆動方法、およびプログラム - Google Patents

Abstract

【課題】折り返しノイズの発生およびコントラストの低下を抑えつつ、撮像素子の読み出しに要する時間を短縮する。
【解決手段】垂直走査部２０２、読み出し部２０３、および水平走査部２０４は、画素の各々から信号電荷を読み出す際、第１の数の光電変換部から信号電荷に応じた画素信号を第１の画素信号として読み出すとともに、第１の数と異なる第２の数の光電変換部から信号電荷に応じた画素信号を第２の画素信号として読み出す。そして、読み出し部は、予め定められた数の画素を１つの第１の単位として第１の単位において第１の画素信号および第２の画素信号を加算して画像信号を得る。
【選択図】図５

Description

本発明は、撮像素子、その駆動方法、およびプログラムに関する。

一般に、デジタルビデオカメラおよびデジタルスチルなどの撮像装置においては、撮像素子としてＣＣＤ又はＣＭＯＳイメージセンサなどが用いられている。そして、近年、撮像素子が多画素化された関係上、撮像素子から画像信号を読み出す際に要する時間を短縮させる必要がある。

撮像素子の読み出し時間を短縮させる手法として、予め定められた画素から画素信号を読み出す手法、つまり、行又は列単位で間引きを行って読み出す手法がある。さらには、撮像素子において画素信号を加算して読み出す手法がある（特許文献１、特許文献２参照）。

これらの手法を用いると画像信号を高速で読み出すことができ、例えば、高フレームレートの動画およびＥＶＦ（電子ビューファインダー）などにおいて上記の手法が用いられている。

一方、マイクロレンズで集光された光を受光するフォトダイオード（ＰＤ）を分割して、撮像素子面における位相差に応じて焦点検出を行う手法が知られている。例えば、画素に備えられたＰＤを２つに分割して、ＰＤがそれぞれ撮像レンズの異なる瞳から光を受光するように構成して、これらＰＤの出力を比較して焦点検出をおこなうようにしたものがある（特許文献３参照）。

特開２００１−３６９２０号公報 特開２００８−２７８４５３号公報 特開２００８−１９３５２７号公報

ところで、撮像素子における画素間隔の２倍を超える周期の高周波信号が撮像素子に入力されると、画像信号において低周波に折り返る現象である折り返しノイズが発生する。さらに、撮像素子の読み出しを行う際、行又は列単位で間引いて読み出しを行うと、実効的な画素間隔は拡がるので、より低周波の成分についても折り返しノイズが発生するようになる。そして、このような折り返しノイズは著しい画質の低下を招く。

さらには、撮像素子において画素信号を加算して画像信号を読み出す際、重み付けを等しくする単純な相加平均においては、折り返しノイズの発生を低減できるものの、画像のコントラストが低下してしまう。

そこで、本発明の目的は、折り返しノイズの発生およびコントラストの低下を抑えつつ、撮像素子の読み出しに要する時間を短縮することのできる撮像素子、その駆動方法、およびプログラムを提供することにある。

上記の目的を達成するため、本発明による撮像素子は、受光量に応じた信号電荷を蓄積する複数の光電変換部を備える画素が２次元マトリックス状に配列された撮像素子であって、前記画素の各々から前記信号電荷を読み出す際、第１の数の前記光電変換部から前記信号電荷に応じた画素信号を第１の画素信号として読み出すとともに、前記第１の数と異なる第２の数の前記光電変換部から前記信号電荷に応じた画素信号を第２の画素信号として読み出す読み出し手段と、予め定められた数の画素を１つの第１の単位として前記第１の単位において前記第１の画素信号および前記第２の画素信号を加算して第１の画像信号を得る加算手段と、を有することを特徴とする。

本発明による駆動方法は、受光量に応じた信号電荷を蓄積する複数の光電変換部を備える画素が２次元マトリックス状に配列された撮像素子の駆動方法であって、前記画素の各々から前記信号電荷を読み出す際、第１の数の前記光電変換部から前記信号電荷に応じた画素信号を第１の画素信号として読み出すとともに、前記第１の数と異なる第２の数の前記光電変換部から前記信号電荷に応じた画素信号を第２の画素信号として読み出す読み出しステップと、予め定められた数の画素を１つの単位として前記単位において前記第１の画素信号および前記第２の画素信号を加算して画像信号を得る加算ステップと、を有することを特徴とする。

本発明によるプログラムは、受光量に応じた信号電荷を蓄積する複数の光電変換部を備える画素が２次元マトリックス状に配列された撮像素子を駆動する際に用いられるプログラムであって、コンピュータに、前記画素の各々から前記信号電荷を読み出す際、第１の数の前記光電変換部から前記信号電荷に応じた画素信号を第１の画素信号として読み出すとともに、前記第１の数と異なる第２の数の前記光電変換部から前記信号電荷に応じた画素信号を第２の画素信号として読み出す読み出しステップと、予め定められた数の画素を１つの単位として前記単位において前記第１の画素信号および前記第２の画素信号を加算して画像信号を得る加算ステップと、を実行させることを特徴とする。

本発明によれば、第１の数の光電変換部から読み出された第１の画素信号と第２の数の光電変換部から読み出された第２の画素信号とを加算して画像信号を得るようにしたので、折り返しノイズの発生およびコントラストの低下を抑えつつ、画像信号の読み出しに要する時間を短縮させることができる。

本発明の第１の実施形態による撮像素子を備える撮像装置の一例についてその構成をブロック図である。 図１に示す撮像素子の構成についてその一例を模式的に示す図である。 図２に示す画素部において画素の構成を説明するための図であり、（ａ）は画素の構成を模式的に示す図、（ｂ）は（ａ）に示す画素に配置されたカラーフィルタを示す図である。 図３に示す画素部の等価回路を示す図である。 本発明の第１の実施形態による撮像素子の読み出し制御の一例を説明するための図である。 図４に示す読み出し部２０３の一例についてその構成を説明するための回路図である。 図６に示す撮像素子における読み出し制御の一例を説明するためのタイミングチャートである。 図６に示す撮像素子において焦点検出を行う際の読み出し制御の一例を説明するためのタイミングチャートである。 本発明の第２の実施形態による撮像素子の読み出し制御を説明するための図である。 本発明の第３の実施形態による撮像素子の読み出し制御を説明するための図である。 本発明の第４の実施形態による撮像素子の読み出し制御を説明するための図である。 本発明の第５の実施形態による撮像素子の読み出し制御を説明するための図である。 図１２で説明した読み出し制御を説明するための画素部の一例を示す図である。 本発明の第６の実施形態による撮像素子の読み出し制御を説明するための図である。 本発明の第７の実施形態による撮像素子の読み出し制御を説明するための図である。

以下に、本発明の実施の形態による撮像素子の一例について図面を参照して説明する。

［第１の実施形態］
図１は、本発明の第１の実施形態による撮像素子を備える撮像装置の一例についてその構成をブロック図である。

図示の撮像装置は、例えば、デジタルカメラ（以下、単にカメラという）であり、光学系１０１を有している。光学系１０１は、フォーカスレンズ、ズームレンズ、および絞りなどを備えている。光学系１０１の後段には撮像素子１０２が配置されており、撮像素子１０２は光学系１０１を介して光学像を受光する。

なお、撮像素子１０２は、瞳分割による画像信号を出力する。また、光学系駆動部１０３は、ＡＦ制御部１０９の制御下で光学系１０１（例えば、フォーカスレンズ）を駆動制御する。

撮像素子１０２の出力である画像信号は、アナログフロントエンド（ＡＦＥ）１０４および位相差算出部１０８に入力される。ＡＦＥ１０４は、画像信号について基準レベルの調整（クランプ処理）を行うとともに、アナログデジタル（Ａ／Ｄ）変換処理を行ってデジタル画像信号を出力する。

デジタルフロントエンド（ＤＦＥ）１０５は、デジタル画像信号に対して所定の補正および画素の並び替え処理などのデジタル処理を行う。デジタル信号処理部１０６は、ＤＦＥ１０５の出力に対して、例えば、色変換、ホワイトバランス補正、およびガンマ補正などの画像処理を行うとともに、解像度変換処理および画像圧縮処理などを行う。そして、デジタル信号処理部１０６の出力である画像データは、記録装置および表示装置（ともに図示せず）に送られる。

なお、記憶部１０７は、デジタル信号処理部１０６の作業用メモリとして用いられるとともに、連続撮影の際のバッファーメモリとして用いられる。

位相差算出部１０８は、撮像素子１０２の出力である画像信号（ここでは、瞳分割された画像信号）に基づいて焦点調節を行うための位相差評価値を算出する。ＡＦ制御部１０９は、位相差算出部１０８で算出された位相差評価値に応じて、光学系１０１のフォーカスレンズ位置を制御するための光学系駆動情報を算出する。

光学系駆動部１０３は、当該光学系駆動情報に応じて光学系１０１を駆動制御する。つまり、位相差算出部１０８およびＡＦ制御部１０９によって位相差方式の焦点調節制御が行われることになる。

図２は、図１に示す撮像素子１０２の構成について、その一例を模式的に示す図である。

撮像素子１０２は、画素部２０１、垂直走査部２０２、読み出し部２０３、および水平走査部２０４を有している。画素部２０１は、２次元マトリックス状に配置された複数の画素を有する。そして、画素部２０１は、光学系１０１を介して光学像を受光して、後述するようにして瞳分割された画像信号を出力する。

垂直走査部２０２は、画素部２０１において行を順次に選択する。一方、水平走査部２０４は、画素部２０１において列を順次に選択する。これによって、画素部２０１の画素が順次選択されて、読み出し部２０３は、垂直走査部２０２および水平走査部２０４によって選択された画素から画素信号を読み出して、順次ＡＦＥ１０２および位相差算出部１０８に出力する。なお、読み出し部２０３は、列毎にＡ／Ｄ変換回路を備えるようにしてもよい。

図３は、図２に示す画素部２０１において画素の構成を説明するための図である。そして、図３（ａ）は画素の構成を模式的に示す図であり、図３（ｂ）は図３（ａ）に示す画素に配置されたカラーフィルタを示す図である。

前述のように、画素部２０１は、２次元マトリックス状に配列された複数の画素を有している。図３（ａ）に示す例では、説明の便宜上、４つの画素３０１、３０５、３０６、および３０７のみが示されているが、図３（ａ）に示す画素の配列を複数備えて画素部２０１が構成される。

画素３０１、３０５、３０６、および３０７の構成は同様であるので、ここでは、画素３０１に着目して画素の構成について説明する。

画素３０１は、マイクロレンズ（ＭＬ）３０２、フォトダイオード（ＰＤ）３０３および３０４を備えている。そして、図３（ｂ）に示すように、画素３０１、３０５、３０６、および３０７には、それぞれカラーフィルタ３０８、３０９、３１０、および３１１が配置されている。図３（ｂ）に示す例では、カラーフィルタ３０８、３０９、３１０、および３１１は、それぞれ緑（Ｇ）、赤（Ｒ）、青（Ｇ）、および赤（Ｒ）を透過するカラーフィルタである。

ＰＤ３０３および３０４は、光学系１０１を介して画素３０１に入射した光を受光して、その受光量に応じた信号電荷を生成して蓄積する光電変換部である。前述のように、撮像素子１０２は、複数の画素信号を画像信号として、ＡＦＥ１０４および位相差算出部１０８に出力する。

図示のように、画素３０１が２つのＰＤ３０３および３０４を備えているので、つまり、ＰＤが２つに分割されているので、ＰＤ３０３および３０４は、光学系１０１の異なる瞳面の光を受光する。そして、後述するように、２つのＰＤ３０３および３０４の出力を比較することによって、光学系１０１における焦点検出が行われる。

以下の説明では、各画素において図中左側に位置するＰＤ（例えば、画素３０１におけるＰＤ３０３）の信号電荷に応じた画素信号をＡ信号と呼び、右側に位置するＰＤ（例えば、画素３０１におけるＰＤ３０４）の信号電荷に応じた画素信号をＢ信号と呼ぶこととする。そして、左右のＰＤ（例えば、画素３０１におけるＰＤ３０３および３０４）の信号電荷に応じた画素信号を（Ａ＋Ｂ）信号と呼ぶこととする。

なお、図３に示す例では、画素３０１は、２つのＰＤ３０３および３０４を備えているが、ＰＤの数は２つに限らず、２つ以上であればよい。例えば、２行×２列で配置された４つのＰＤを備えるようにしてもよく、３行×３列で配置された９つのＰＤを備えるようにしてもよい。

さらには、図示の例では、ＰＤを左右に２つ並べて配置するようにしたが、２つのＰＤを並べる方向は図示の例に限らず、例えば、２つのＰＤを上下方向に並べて配置するようにしてもよい。

また、画素部２０１において、ＰＤが異なる方向に並ぶ画素が混在するようにしてもよい。例えば、２つのＰＤが上下方向に並ぶ画素と２つのＰＤが左右方向に並ぶ画素とを混在させるようにしてもよい。さらに、画素３０１と同様の構成を備える画素を、その機能を発揮する範囲において画素部２０１に任意に配置するようにしてもよい。

前述のように、各画素には赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、および青（Ｂ）のいずれかのカラーフィルタが配置されており、画素に入射した光はカラーフィルタによって色分離される。図３（ｂ）に示す例では、カラーフィルタはベイヤー配列されている。

図４は、図３に示す画素部２０１の等価回路を示す図である。画素３０１は、転送スイッチ４０１、フローティングディフュージョン（ＦＤ）４０３、出力部４０５、選択スイッチ４０６、およびリセットスイッチ４０４を備えており、これら構成要素についてはその機能を発揮する範囲で適切にレイアウトされる。

図示の例では、画素３０１のみの構成が示されているが、他の画素も画素３０１と同様の構成を備えている。画素３０１において、ＰＤ３０３および３０４はそれぞれ転送スイッチ４０１および４０２に接続されている。転送スイッチ４０１および４０２は、垂直走査部２０２から供給される転送パルス信号φＴＸ１ｎおよびφＴＸ２ｎによって駆動される（つまり、オンオフされる）。ここでは、ｎは２以上の整数であり、行番号を表すものとする。

転送スイッチ４０１および４０２がオンになると、ＰＤ３０３および３０４に蓄積された信号電荷がＦＤ４０３に転送される。リセットスイッチ４０４は、垂直走査部２０２から与えられるリセットパルス信号φＲＥＳｎによって駆動される。リセットスイッチ４０４がオンになると、ＦＤ４０３に保持された電荷がリセット電位ＶＤＤにリセットされる。

ＦＤ４０３は、ＰＤ３０３および／又は３０４から転送された電荷を保持して、その電荷を電圧信号に変換する電荷電圧変換部として機能する。出力部４０５は、ＦＤ４０３の出力である電圧信号を増幅して画素信号として出力する。図示の例では、ＭＯＳトランジスタ（つまり、出力部４０５）と定電流源４０７とによってソースフォロワ回路が構成される。

選択スイッチ４０６は、垂直走査部２０２から与えられる垂直選択パルス信号φＳＥＬｎによって駆動される。選択スイッチ４０６がオンになると、出力部４０５によって増幅された画素信号が垂直出力線４０８に出力される。

この垂直出力線４０８には、同一の列に位置する画素が接続されており、読み出し部２０３は、水平走査部２０４により制御されて垂直出力線４０８に出力された画素信号を後段の回路（図示せず）に出力する。

なお、図示の例では、転送スイッチ４０１および４０２、リセットスイッチ４０４、出力部４０５、および選択スイッチ４０６の各々は、ＭＯＳトランジスタによって構成されている。そして、ＭＯＳトランジスタのゲートにハイ（Ｈ）レベルのパルス信号が印加されると、ＭＯＳトランジスタはオン状態となり、ロー（Ｌ）レベルのパルス信号が印加されるとＭＯＳトランジスタはオフ状態となる。

続いて、図４に示す撮像素子の読み出し制御（読み出し駆動）について説明する。ここでは、複数の画素信号を加算して読み出すが、この際、加算される複数の画素に応じて読み出される画素信号の種類（Ａ信号、Ｂ信号、又は（Ａ＋Ｂ）信号）が異なる。

図５は、本発明の第１の実施形態による撮像素子の読み出し制御の一例を説明するための図である。

図示の例では、水平方向（つまり、行方向）に３列の画素信号を加算して読み出す制御が示されている。ここでは、水平方向に３列の画素信号を加算して読み出すので、１列ずつ全ての画素信号を読み出す場合に比べて、水平方向の走査時間を１／３程度に短縮できる。

さらに、ここでは、同色の３画素について加算読み出しを行う際、中央に位置する画素の出力である（Ａ＋Ｂ）信号と、左側に位置する画素の出力であるＡ信号と、右側に位置する画素の出力であるＢ信号を加算する。これによって、加重平均された画素信号を読み出すことができる。

図５において、画素５０１〜５１１は、同一の行（ＧＲ行）に配置された画素である。画素５０１〜５１１は、ベイヤー配列に応じたカラーフィルタを備えている。画素５０１、５０３、５０５、５０７、５０９、および５１１は、緑（Ｇ）のカラーフィルタを備える画素（Ｇ画素）である。画素５０２、５０４、５０６、５０８、および５１０は、赤（Ｒ）のカラーフィルタを備える画素（Ｒ画素）である。

画素５２２〜５３２は、同一の行（ＧＢ行）に配置された画素である。画素５２２、５２４、５２６、５２８、５３０、および５３２は、青（Ｂ）のカラーフィルタを備える画素（Ｂ画素）である。画素５２３、５２５、５２７、５２９、および５３１は、緑（Ｇ）のカラーフィルタを備える画素である。なお、画素部２０１は、図５に示すＧＲ行とＧＢ行とが交互に配置されるものとする。

ＧＲ行において、一つの単位に属する画素５０３について、ＰＤ５１４および５１５の信号電荷に応じた（Ａ＋Ｂ）信号が垂直出力線に出力される。また、一つの単位に属する画素５０１について、ＰＤ５１２の信号電荷に応じたＡ信号が垂直出力線に出力される。そして、一つの単位に属する画素５０５について、ＰＤ５１８の信号電荷に応じたＢ信号が垂直出力線に出力される。読み出し部２０３は、これら（Ａ＋Ｂ）信号、Ａ信号、およびＢ信号を加算してＧ画素に係る加重平均信号５３３を出力する。

同様にして、画素５０６について、ＰＤ５１９および５２０の信号電荷に応じた（Ａ＋Ｂ）信号が垂直出力線に出力される。また、画素５０４について、ＰＤ５１６の信号電荷に応じたＡ信号が垂直出力線に出力される。そして、画素５０８について、ＰＤ５２１の信号電荷に応じたＢ信号が垂直出力線に出力される。読み出し部２０３は、これら（Ａ＋Ｂ）信号、Ａ信号、およびＢ信号を加算してＲ画素に係る加重平均信号５３４を出力する。

以下同様に、画素５０９について（Ａ＋Ｂ）信号が垂直出力線に出力され、画素５０７についてＡ信号が垂直出力線に出力される。そして、画素５１１についてＢ信号が垂直出力線に出力され、読み出し部２０３はこれら（Ａ＋Ｂ）信号、Ａ信号、およびＢ信号を加算してＧ画素に係る加重平均信号５３５を出力する。

また、ＧＢ行においても、同様にして、読み出し部２０３は、Ｂ画素に係る加重平均信号５３６、Ｇ画素に係る加重平均信号５３７、およびＢ画素に係る加重平均信号５３８を出力する。

このように、同色の３画素を加算処理する際、中央に位置する画素（例えば、画素５０３）においては（Ａ＋Ｂ）信号が出力され、左側に位置する画素（例えば、画素５０１）おいてはＡ信号が出力される。そして、右側に位置する画素（例えば、画素５０５）においてはＢ信号が出力され、後段に配置された読み出し部２０３は、これら３画素の画素信号を加算して、加重平均信号を得る。

例えば、加重平均信号５３３は、画素５０１、画素５０３、および画素５０５に関して１：２：１の比率で重み付けされた画像信号となる。加重平均信号５３４〜５３８の各々も、同様にして、１：２：１の比率で重み付けされた画像信号となる。

図６は、図４に示す読み出し部２０３の一例について、その構成を説明するための回路図である。

なお、図示の例では、説明の便宜上、画素としてＧ画素５０１、５０３、および５０５のみが示され、読み出し部２０３については、これらＧ画素５０１、５０３、および５０５に対応する部分のみが示されている。また、図６において、図４および図５に示す構成要素と同一の構成要素については同一の参照番号を付す。

前述のように、読み出し部２０３は、画素から出力された画素信号を一時的に保持して、隣接する同色の３画素の画素信号を加算して、加重平均信号として後段の回路に出力する。

読み出し部２０３は、ゲインアンプ６０１、６０２、および６０３を有しており、ゲインアンプ６０１〜６０３の各々は、垂直出力線４０８に出力された画素信号を増幅する。さらに、読み出し部２０３は、読み出しスイッチ６０４〜６１２と信号保持部６１３〜６２１とを有している。

読み出しスイッチ６０４、６０５、および６０６は、図示しない制御部から与えられる読み出しパルス信号φＴＮによって駆動制御される。読み出しスイッチ６０４、６０５、および６０６がオンすると、垂直信号線４０８に出力されたリセットノイズ信号がそれぞれ信号保持部６１３、６１４、および６１５にサンプリングされる。

読み出しスイッチ６０７、６０８、および６０９は、制御部から与えられる読み出しパルス信号φＴＳによって駆動制御される。読み出しスイッチ６０７、６０８、および６０９がオンすると、垂直信号線４０８に出力された１つのＰＤに係る画素信号がそれぞれ信号保持部６１６、６１７、および６１８にサンプリングされる。

但し、ここでは、信号保持部６１６には画素５０１のＡ信号がサンプリングされ、信号保持部６１７には画素５０３のＡ信号がサンプリングされる。そして、信号保持部６１８には画素５０５のＢ信号がサンプリングされる。

読み出しスイッチ６１０、６１１、および６１２は、制御部から与えられる読み出しパルス信号φＴＡＢによって駆動制御される。読み出しスイッチ６１０、６１１、および６１２がオンすると、垂直信号線４０８に出力された（Ａ＋Ｂ）信号がそれぞれ信号保持部６１９、６２０、および６２１にサンプリングされる。

さらに、読み出し部２０３は水平加算スイッチ６２２〜６２５を備えており、制御部から与えられる水平加算パルス信号φＨＡＤＤＮによって水平加算スイッチ６２２および６２３がオンされると、信号保持部６１３、６１４、および６１５が接続される。これによって、画素５０１、５０３、および５０５から読み出されたリセットノイズ信号が加算（平均化）される。

また、制御部から与えられる水平加算パルス信号φＨＡＤＤＳによって水平加算スイッチ６２４および６２５がオンされると、信号保持部６１６、６２０、および６１８が接続される。これによって、画素５０１のＡ信号、画素５０３の（Ａ＋Ｂ）信号、および画素５０５のＢ信号（つまり、ＰＤ５１２、５１４、５１５、および５１８に応じた画素信号）が加算（平均化）される。

さらに、制御部から与えられる水平加算パルス信号φＨＡＤＤＡＢによって水平加算スイッチ６２６および６２７がオンされると、信号保持部６１９、６２０、および６２１が接続される。これによって、画素５０１、５０３、および５０５から読み出された（Ａ＋Ｂ）信号が加算（平均化）される。

また、読み出し部２０３は、水平転送スイッチ６２８〜６３６を有している。水平転送スイッチ６２８、６２９、および６３０は、水平走査部２０４から与えられる水平転送パルス信号φＨＮ_ｍ〜φＨＮ_ｍ＋４によって駆動制御される。水平転送スイッチ６２８、６２９、および６３０がオンすると、信号保持部６１３、６１４、および６１５に保持された信号電荷がそれぞれ水平信号線６３５に転送される。

水平転送スイッチ６３１、６３２、および６３３は、水平走査部２０４から与えられる水平転送パルス信号φＨＳ_ｍ〜φＨＳ_ｍ＋４によって駆動制御される。水平転送スイッチ６３１、６３２、および６３３がオンすると、信号保持部６１６、６１７、および６１８に保持された信号電荷がそれぞれ水平信号線６３６に転送される。

水平転送スイッチ６３４、６３５、および６３６は、水平走査部２０４から与えられる水平転送パルス信号φＨＡＢ_ｍ〜φＨＡＢ_ｍ＋４によって駆動制御される。水平転送スイッチ６３４、６３５、および６３６がオンすると、信号保持部６１９、６２０、および６２１に保持された信号電荷がそれぞれ水平信号線６３６に転送される。

ここでは、水平走査部２０４からｍ列目の水平転送スイッチ６２８、６３１、および６３４に入力される水平転送パルスがそれぞれφＨＳｍ、φＨＮｍ、およびφＨＡＢｍとされる。

図示の読み出し制御では、水平加算パルス信号φＨＡＤＤＳによって、信号保持部６１６、６１７、および６１８には同等の加重平均信号が保持されるので、信号保持部からは３列毎に１列読み出せばよい。つまり、水平走査部２０４は、例えば、（ｍ＋２）列目、（ｍ＋５）列目、（ｍ＋８列目）のように、３列毎に順次列を選択する。これによって、１列ずつ全てを読み出すよりも、水平方向の走査時間を１／３程度に短縮することができる。

読み出し部２０３はメインアンプ６３９を有しており、メインアンプ６３９は水平信号線６３７と水平信号線６３８との電位差を増幅して、図１に示すＡＦＥ１０４に出力する。

図７は、図６に示す撮像素子における読み出し制御の一例を説明するためのタイミングチャートである。

まず、期間ｔ７０１〜ｔ７０２において、垂直走査部２０２は転送パルス信号φＴＸ１およびφＴＸ２をＨレベルとする。この際、リセットパルス信号φＲＥＳはＨレベルである。これによって、一行のＰＤおよびＦＤがＶＤＤ電圧でリセットされる。

次に、タイミング（時刻）ｔ７０２において、垂直走査部２０２は転送パルス信号φＴＸ１およびφＴＸ２をＬレベルとする。その後、タイミングｔ７０３において、垂直走査部２０２はリセットパルス信号φＲＥＳをＬレベルとするとともに、選択パルス信号φＳＥＬをＨレベルとする。これによって、行毎に選択スイッチ４０６がオン状態となる。

続いて、期間ｔ７０４〜ｔ７０５において、読み出しパルス信号φＴＮがＨレベルとされて、リセットノイズ信号がそれぞれ信号保持部６１３、６１４、および６１５にサンプリングされる。つまり、期間ｔ７０４−ｔ７０５はＮ読み期間であって、ＰＤに蓄積された信号電荷を転送する前の状態でＦＤ４０３のリセット電位が信号保持部６１３、６１４、および６１５に転送されることになる。

次に、期間ｔ７０６〜ｔ７０７において、垂直走査部２０２は転送パルス信号φＴＸ１をＨレベルとする。さらに、読み出しパルス信号φＴＳがＨレベルとされて、１つのＰＤに係る画素信号がそれぞれ信号保持部６１６、６１７、および６１８にサンプリングされる。つまり、期間ｔ７０６〜ｔ７０７はＳ読み期間であって、転送パルス信号φＴＸ１と読み出しパルス信号φＴＳとによって、画素の２つのＰＤのうち一方に蓄積された信号電荷に応じた画素信号が信号保持部６１６、６１７、および６１８に転送される。

この際には、前述のように、画素５０１においては、ＰＤ５１２から出力されたＡ信号が信号保持部６１６に転送され、画素５０３においてはＰＤ５１４から出力されたＡ信号が信号保持部６１７に転送される。そして、画素５０５においてはＰＤ５１９から出力されたＢ信号が信号保持部６１８に転送される。

続いて、期間ｔ７０８〜ｔ７０９において、垂直走査部２０２は転送パルス信号φＴＸ１およびφＴＸ２をＨレベルとする。さらに、読み出しパルス信号φＴＡＢがＨレベルとされて、垂直信号線４０８に出力された（Ａ＋Ｂ）信号がそれぞれ信号保持部６１９、６２０、および６２１にサンプリングされる。つまり、期間ｔ７０８〜ｔ７０９はＡＢ読み期間であって、転送パルス信号φＴＸ１およびφＴＸ２と読み出しパルス信号φＴＡＢとによって、画素に備えられた２つのＰＤの信号電荷に応じた画素信号が信号保持部に６１９、６２０、および６２１に転送される。

次に、期間ｔ７１０〜ｔ７１１において、水平加算パルス信号φＨＡＤＤＮおよび水平加算パルス信号φＨＡＤＤＳがＨレベルとされる。これによって、前述のように、画素５０１、５０３、および５０５から読み出されたリセットノイズ信号が加算（平均化）される。さらに、画素５０１のＡ信号、画素５０３の（Ａ＋Ｂ）信号、および画素５０５のＢ信号が加算（平均化）される。

つまり、期間ｔ７１０〜ｔ７１１は水平加算期間であって、水平加算パルス信号φＨＡＤＤＮおよびφＨＡＤＤＳによって、水平方向に隣接する同色の３列の信号保持部が相互に接続される。ここでは、水平加算パルス信号φＨＡＤＤＮによって水平加算スイッチ６２２および６２３がオンされると、信号保持部６１３、６１４、および６１５が接続されて、画素５０１、５０３、および５０５から読み出されたリセットノイズ信号が加算（平均化）される。

また、水平加算パルス信号φＨＡＤＤＳによって水平加算スイッチ６２４および６２５がオンされると、信号保持部６１６、６２０、および６１８が接続されて、画素５０１のＡ信号、画素５０３の（Ａ＋Ｂ）信号、および画素５０５のＢ信号が加算（平均化）される。

具体的には、信号保持部６１３、６１４、および６１５が互いに接続されると、信号保持部６１３、６１４、および６１５にはその容量に応じて電荷が移動する。信号保持部６１３、６１４、および６１５の容量を互いに等しくすれば、信号保持部６１３、６１４、および６１５にはそれぞれ加重平均信号５３３が保持される。

続いて、期間ｔ７１２〜ｔ７１３において、水平走査部２０４は水平転送パルス信号φＨＮおよびφＨＳを同期させて所定の周期でＨレベルおよびＬレベルとする。これによって、信号保持部６１３、６１４、および６１５に保持された電圧信号がそれぞれ水平信号線６３５に出力され、信号保持部６１６、６１７、および６１８に保持された電圧信号がそれぞれ水平信号線６３６に出力される。

つまり、期間ｔ７１２〜ｔ７１３は水平走査期間であって、ここでは、水平転送パルス信号φＨＮおよびφＨＳによって、信号保持部６１４および６２０に保持された加算平均信号が、水平信号線６３７および６３８に転送される。水平走査部２０４は、信号保持部から３列毎に１列読み出すように列を順次選択する。

メインアンプ６３９は、水平信号線６３７および６３８に出力された加重平均信号の差分を増幅してＡＦＥ１０４に出力する。このようにして、ここでは、読み出しの時間を、全列を選択して読み出す時間の１／３程度に短縮することができる。

図８は、図６に示す撮像素子において焦点検出を行う際の読み出し制御の一例を説明するためのタイミングチャートである。なお、ここでは、位相差検出を用いた焦点検出が行われるものとする。

図８において、タイミングｔ１５０１〜ｔ１５０９は図７に示すタイミングｔ７０１〜ｔ７０９に対応し、図７で説明した制御と同様の制御が行われる。焦点検出の際の読み出し制御では、信号保持部６１３〜６２１に画素信号が読み出された後、水平加算パルス信号φＨＡＤＤＮ、φＨＡＤＤＳ、およびφＨＡＤＤＡＢはＬレベルのままとされて、水平方向における画素信号の加算は行われない。

続いて、期間ｔ１５１０〜ｔ１５１１の第１の水平走査期間において、水平走査部２０４は水平転送パルス信号φＨＮおよびφＨＳを同期させて所定の周期でＨレベルおよびＬレベルとする。これによって、信号保持部６１３および６１６に保持された電圧信号がそれぞれ水平信号線６３７および６３８に出力される。そして、水平走査部２０４は列を順次選択して、各列の信号保持部に保持された電圧信号が列順次で水平信号線６３７および６３８に出力される。

焦点検出の際の読み出し制御では、水平方向については画素信号の加算が行われないので、水平走査部２０４は１列毎に信号保持部の信号電荷を読み出すように列を順次選択するようにすればよい。また、水平走査部２０４は複数の列毎に１列の信号電荷を読み出すように列を順次選択するようにしてもよい。

メインアンプ６３９は、水平信号線６３７および６３８に出力された画素信号の差分を増幅して位相差算出部１０８に出力する。第１の水平走査期間においては、垂直走査部２０２によって選択された１行分のＡ信号又はＢ信号が位相差算出部１０８に出力される。

期間ｔ１５１２〜ｔ１５１３の第２の水平走査期間において、水平走査部２０４は水平転送パルス信号φＨＮおよびφＨＡＢを同期させて所定の周期でＨレベルおよびＬレベルとする。これによって、信号保持部６１３および６１９に保持された電圧信号がそれぞれ水平信号線６３５および６３６に出力される。そして、水平走査部２０４は列を順次選択して、各列の信号保持部に保持された電圧信号が列順次で水平信号線６３７および６３８に出力される。

メインアンプ６３９は、水平信号線６３７および６３８に出力された画素信号の差分を増幅して位相差算出部１０８に出力する。第２の水平走査期間においては、垂直走査部２０２によって選択された１行分の（Ａ＋Ｂ）信号が位相差算出部１０８に出力される。

垂直走査部２０２によって全ての行が走査されると、位相差算出部１０８には、画素毎にＡ信号と（Ａ＋Ｂ）信号又はＢ信号と（Ａ＋Ｂ）信号が保持される。位相差算出部１０８は、画素毎に、（Ａ＋Ｂ）信号とＡ信号の差分又は（Ａ＋Ｂ）信号とＢ信号との差分を算出して画素毎にＡ信号とＢ信号を得る。

画素毎のＡ信号とＢ信号は光学系１０１の異なる瞳面の光を受光して得られた信号であるので、Ａ信号とＢ信号の１次元波形を比較することによって、焦点検出を行うことができる。

このように、本発明の第１の実施形態では、撮像素子において水平方向３列の画素信号を加算する際、中央に位置する画素の（Ａ＋Ｂ）信号と、左側に位置する画素のＡ信号と、右側に位置する画素のＢ信号とを加算する。これによって、折り返しノイズの発生およびコントラストの低下を抑えつつ、読み出し時間を短縮して加重平均された画像信号を読み出すことができる。

［第２の実施形態］
続いて、本発明の第２の実施形態による撮像素子を備えるカメラの一例について説明する。なお、第２の実施形態において、カメラの構成および撮像素子の構成は第１の実施形態で説明したカメラおよび撮像素子と同様である。

図９は、本発明の第２の実施形態による撮像素子の読み出し制御を説明するための図である。

図示の例では、Ｇ画素については、水平方向に３列の画素信号を加算して読み出し、Ｒ画素およびＢ画素については水平方向に２列の画素信号を加算して読み出す制御が示されている。上述のような加算読み出しを行うと、１列ずつ全ての画素信号を読み出す場合に比べて、水平方向の走査時間を１／２程度に短縮できる。

さらに、ここでは、３つのＧ画素について加算読み出しを行う際、中央に位置するＧ画素の出力である（Ａ＋Ｂ）信号と、左側に位置するＧ画素の出力であるＡ信号と、右側に位置するＧ画素の出力であるＢ信号を加算する。これによって、加重平均された画素信号を読み出すことができる。

図９において、画素５０１〜８０９は同一の行（ＧＲ行）に配置された画素である。画素８０１〜８０９はベイヤー配列に応じたカラーフィルタを備えている。画素８０１、８０３、８０５、８０７、および８０９はＧ画素である。画素８０２、８０４、８０６、および８０８はＲ画素である。

画素８２２〜８３０は同一の行（ＧＢ行）に配置された画素である。画素８２２、８２４、８２６、８２８、および８３０はＧ画素である。画素８２３、８２５、８２７、および８２９はＢ画素である。

ＧＲ行において、画素８０３について、ＰＤ８１１および８１２の信号電荷に応じた（Ａ＋Ｂ）信号が垂直出力線に出力される。また、画素８０１についてＰＤ８１０の信号電荷に応じたＡ信号が垂直出力線に出力される。そして、画素８０５についてＰＤ８１６の信号電荷に応じたＢ信号が垂直出力線に出力される。読み出し部２０３は、これら（Ａ＋Ｂ）信号、Ａ信号、およびＢ信号を加算してＧ画素に係る加重平均信号８３１を出力する。

同様にして、画素８０４について、ＰＤ８１３および８１４の信号電荷に応じた（Ａ＋Ｂ）信号が垂直出力線に出力される。また、画素８０６についてＰＤ８１７および８１８の信号電荷に応じた（Ａ＋Ｂ）信号が垂直出力線に出力される。そして、読み出し部２０３はこれら２つの（Ａ＋Ｂ）信号を加算してＲ画素に係る加重平均信号８３２を出力する。

以下同様に、画素８０５についてＡ信号が垂直出力線に出力され、画素５０７について（Ａ＋Ｂ）信号が垂直出力線に出力される。そして、画素８０９についてＢ信号が垂直出力線に出力され、読み出し部２０３はこれらＡ信号、（Ａ＋Ｂ）信号、およびＢ信号を加算（平均化）してＧ画素に係る加重平均信号５３３を出力する。

また、ＧＢ行においても、同様にして、読み出し部２０３は、Ｂ画素に係る加重平均信号８３４、Ｇ画素に係る加重平均信号８３５、およびＢ画素に係る加重平均信号８３６を出力する。

このように、Ｇ画素に関する加重平均信号８３１、８３３、および８３５は、それぞれ１：２：１の比率で重み付けした加重平均信号である。一方、Ｒ画素の加重平均信号８３２とＢ画素の加重平均信号８３４および８３６においてはそれぞれ２画素を１：１の比率で重み付けした加重平均信号が得られる。

これによって、Ｒ画素およびＢ画素の各々については、（Ａ＋Ｂ）信号を加算して、加重平均信号の重心位置が等間隔に並ぶことになる。さらに、ここでは、全てのＰＤの信号電荷が画素信号として用いられる。

本発明の第２の実施形態においても、折り返しノイズの発生およびコントラストの低下を抑えつつ、読み出し時間を短縮して加重平均された画像信号を読み出すことができる。

［第３の実施形態］
次に、本発明の第３の実施形態による撮像素子を備えるカメラの一例について説明する。なお、第３の実施形態において、カメラの構成および撮像素子の構成は第１の実施形態で説明したカメラおよび撮像素子と同様である。

図１０は、本発明の第３の実施形態による撮像素子の読み出し制御を説明するための図である。

図示の例では、Ｇ画素については、水平方向に５列の画素信号を加算して読み出し、Ｒ画素およびＢ画素については水平方向に４列の画素信号を加算して読み出す制御が示されている。上述のような加算読み出しを行うと、１列ずつ全ての画素信号を読み出す場合に比べて、水平方向の走査時間を１／４程度に短縮できる。

さらに、ここでは、５つのＧ画素について加算読み出しを行う際、中央に位置する３つのＧ画素についてその出力である（Ａ＋Ｂ）信号と、左側に位置するＧ画素の出力であるＡ信号と、右側に位置するＧ画素の出力であるＢ信号とを加算する。

また、Ｒ画素およびＢ画素の各々については、４つの画素について加算読み出しを行う際、中央に位置する２つの画素についてその出力である（Ａ＋Ｂ）信号と、左側に位置する画素の出力であるＡ信号と、右側に位置する画素の出力であるＢ信号とを加算する。

図１０において、画素９０１〜９１７は同一の行（ＧＲ行）に配置された画素である。画素９０１〜９１７はベイヤー配列に応じたカラーフィルタを備えている。画素９０１、９０３、９０５、９０７、９０９、９１１、９１３、９１４、および９１７はＧ画素である。画素９０２、９０４、９０６、９０８、９１０、９１２、９１４、および９１６はＲ画素である。

画素９３５〜９５１は同一の行（ＧＢ行）に配置された画素である。画素９３５、９３７、９３９、９４１、９４３、９４５、９４７、および９４９はＧ画素である。画素９３６、９３８、９４０、９４２、９４４、９４６、および９４８はＢ画素である。

ＧＲ行において、画素９０３について、ＰＤ９１９および９２０の信号電荷に応じた（Ａ＋Ｂ）信号が垂直出力線に出力される。同様に、画素９０５について、ＰＤ９２１および９２２の信号電荷に応じた（Ａ＋Ｂ）信号が垂直出力線に出力される。そして、画素９０７について、ＰＤ９２４および９２５の信号電荷に応じた（Ａ＋Ｂ）信号が垂直出力線に出力される。

また、画素９０１についてＰＤ９１８の信号電荷に応じたＡ信号が垂直出力線に出力される。そして、画素９０９についてＰＤ９２８の信号電荷に応じたＢ信号が垂直出力線に出力される。読み出し部２０３は、これら３つの（Ａ＋Ｂ）信号、Ａ信号、およびＢ信号を加算してＧ画素に係る加重平均信号９５０を出力する。

同様にして、画素９０８について、ＰＤ９２６および９２７の信号電荷に応じた（Ａ＋Ｂ）信号が垂直出力線に出力される。さらに、画素９１０について、ＰＤ９３０および９３１の信号電荷に応じた（Ａ＋Ｂ）信号が垂直出力線に出力される。

また、画素９０６についてＰＤ９２３の信号電荷に応じたＡ信号が垂直出力線に出力される。そして、画素９１２についてＰＤ９３２の信号電荷に応じたＢ信号が垂直出力線に出力される。読み出し部２０３はこれら２つの（Ａ＋Ｂ）信号、Ａ信号、およびＢ信号を加算してＲ画素に係る加重平均信号９５１を出力する。

以下同様に、画素９１１、９１３、および９１５の各々について（Ａ＋Ｂ）信号が垂直出力線に出力される。そして、画素９０９についてＡ信号が垂直出力線に出力され、画素９１７についてＢ信号が垂直出力線に出力される。読み出し部２０３はこれら３つの（Ａ＋Ｂ）信号、Ａ信号、およびＢ信号を加算してＧ画素に係る加重平均信号９５２を出力する。

また、ＧＢ行においても、同様にして、読み出し部２０３は、Ｂ画素に係る加重平均信号９５３、Ｇ画素に係る加重平均信号９５４、およびＢ画素に係る加重平均信号９５５を出力する。

このように、Ｇ画素に関する加重平均信号９５０、９５２、および９５４は、それぞれ１：２：２：２：１の比率で重み付けした加重平均信号である。一方、Ｒ画素の加重平均信号９５１とＢ画素の加重平均信号９５３および９５５においてはそれぞれ４画素を１２：２：１の比率で重み付けした加重平均信号が得られる。

これによって、Ｒ画素およびＢ画素の各々については、１：２：２：１の比率で重み付けすることによって、加重平均信号の重心位置が等間隔に並ぶことになる。さらに、ここでは、多くの画素を用いて加算平均信号を生成しているので、より高速に読み出しを行うことができる。

本発明の第３の実施形態においても、折り返しノイズの発生およびコントラストの低下を抑えつつ、読み出し時間を短縮して加重平均された画像信号を読み出すことができる。

［第４の実施形態］
次に、本発明の第４の実施形態による撮像素子を備えるカメラの一例について説明する。なお、第４の実施形態において、カメラの構成および撮像素子の構成は第１の実施形態で説明したカメラおよび撮像素子と同様である。

図１１は、本発明の第４の実施形態による撮像素子の読み出し制御を説明するための図である。

図示の例では、Ｇ画素、Ｒ画素、およびＢ画素の各々について、水平方向に５列の画素信号を加算して読み出す制御が示されている。上述のような加算読み出しを行うと、１列ずつ全ての画素信号を読み出す場合に比べて、水平方向の走査時間を１／５程度に短縮することができる。

さらに、ここでは、５つのＧ画素、Ｒ画素、およびＢ画素の各々について加算読み出しを行う際、中央に位置する３つの画素についてその出力である（Ａ＋Ｂ）信号と、左側に位置する画素の出力であるＡ信号と、右側に位置する画素の出力であるＢ信号とを加算する。

図１１において、画素１００１〜１０１４は同一の行（ＧＲ行）に配置された画素である。画素１００１〜１０１４はベイヤー配列に応じたカラーフィルタを備えている。画素１００１、１００３、１００５、１００７、１００９、１０１１、および１０１３はＧ画素である。画素１００２、１００４、１００６、１００８、１０１０、１０１２、および１０１４はＲ画素である。

画素１０３１〜１０４４は同一の行（ＧＢ行）に配置された画素である。画素１０３１、１０３３、１０３５、１０３７、１０３９、１０４１、および１０４３はＢ画素である。画素１０３２、１０３４、１０３６、１０３８、１０４０、１０４２、および１０４４はＧ画素である。

ＧＲ行において、画素１００３について、ＰＤ１０１６および１０１７の信号電荷に応じた（Ａ＋Ｂ）信号が垂直出力線に出力される。同様に、画素１００５について、ＰＤ１０１８および１０１９の信号電荷に応じた（Ａ＋Ｂ）信号が垂直出力線に出力される。そして、画素１００７について、ＰＤ１０２１および１０２２の信号電荷に応じた（Ａ＋Ｂ）信号が垂直出力線に出力される。

また、画素１００１についてＰＤ１０１５の信号電荷に応じたＡ信号が垂直出力線に出力される。そして、画素１００９についてＰＤ１０２５の信号電荷に応じたＢ信号が垂直出力線に出力される。読み出し部２０３は、これら３つの（Ａ＋Ｂ）信号、Ａ信号、およびＢ信号を加算してＧ画素に係る加重平均信号１０４５を出力する。

同様にして、画素１００８について、ＰＤ１０２３および１０２４の信号電荷に応じた（Ａ＋Ｂ）信号が垂直出力線に出力される。また、画素１０１０について、ＰＤ１０２６および１０２７の信号電荷に応じた（Ａ＋Ｂ）信号が垂直出力線に出力される。そして、画素１０１２について、ＰＤ１０２８および１０２９の信号電荷に応じた（Ａ＋Ｂ）信号が垂直出力線に出力される。

さらに、画素１００６についてＰＤ１０２０の信号電荷に応じたＡ信号が垂直出力線に出力される。そして、画素１０１４についてＰＤ１０３０の信号電荷に応じたＢ信号が垂直出力線に出力される。読み出し部２０３は、これら３つの（Ａ＋Ｂ）信号、Ａ信号、およびＢ信号を加算してＲ画素に係る加重平均信号１０４６を出力する。

また、ＧＢ行においても、同様にして、読み出し部２０３は、Ｂ画素に係る加重平均信号１０４７およびＧ画素に係る加重平均信号１０４８を出力する。

このように、Ｇ画素に関する加算平均信号１０４５および１０４８、Ｒ画素に関する加算平均信号１０４６、およびＢ画素に関する加算平均信号１０４８の各々は、１：２：２：２：１の比率で重み付けした加重平均信号である。そして、ここでは、多くの画素を用いて加算平均信号を生成しているので、より高速に読み出しを行うことができる。

本発明の第４の実施形態においても、折り返しノイズの発生およびコントラストの低下を抑えつつ、読み出し時間を短縮して加重平均された画像信号を読み出すことができる。

［第５の実施形態］
次に、本発明の第５の実施形態による撮像素子を備えるカメラの一例について説明する。なお、第５の実施形態において、カメラの構成および撮像素子の構成は第１の実施形態で説明したカメラおよび撮像素子と同様である。

図１２は、本発明の第５の実施形態による撮像素子の読み出し制御を説明するための図である。

図示の例では、垂直方向において同一の列の３画素の画素信号を加算して読み出す制御が示されている。ここでは、Ｇ画素、Ｒ画素、およびＢ画素の各々について、垂直方向において３行の画素信号を加算して読み出す。上述のような加算読み出しを行うと、１行ずつ全ての画素信号を読み出す場合に比べて、垂直方向の走査時間を１／３程度に短縮することができる。

さらに、ここでは、３つのＧ画素、Ｒ画素、およびＢ画素の各々について加算読み出しを行う際、中央に位置する画素の出力である（Ａ＋Ｂ）信号と、上側に位置する画素の出力であるＡ信号と、下側に位置する画素の出力であるＢ信号とを加算する。

図１２において、画素１１０１〜１１０８は同一の列（ＧＲ列）に配置された画素である。画素１１０１〜１１０８はベイヤー配列に応じたカラーフィルタを備えている。画素１１０１、１１０３、１１０５、および１１０７はＧ画素である。画素１１０２、１１０４、１１０６、および１１０８はＲ画素である。

画素１１１７〜１１２４は同一の列（ＧＢ列）に配置された画素である。画素１１１７、１１１９、１１２１、および１１２３はＢ画素である。画素１１１８、１１２０、１１２２、および１１２４はＧ画素である。

ＧＲ列において、画素１１０３について、ＰＤ１１１０および１１１１の信号電荷に応じた（Ａ＋Ｂ）信号が垂直出力線に出力される。同様に、画素１１０１について、ＰＤ１１０９の信号電荷に応じたＡ信号が垂直出力線に出力される。そして、画素１１０５についてＰＤ１１１３の信号電荷に応じたＢ信号が垂直出力線に出力される。読み出し部２０３は、これら（Ａ＋Ｂ）信号、Ａ信号、およびＢ信号を加算してＧ画素に係る加重平均信号１１３３を出力する。

同様にして、画素１１０６について、ＰＤ１１１４および１１１５の信号電荷に応じた（Ａ＋Ｂ）信号が垂直出力線に出力される。さらに、画素１１０４についてＰＤ１１１２の信号電荷に応じたＡ信号が垂直出力線に出力される。そして、画素１１０８についてＰＤ１１１６の信号電荷に応じたＢ信号が垂直出力線に出力される。読み出し部２０３は、これら（Ａ＋Ｂ）信号、Ａ信号、およびＢ信号を加算してＲ画素に係る加重平均信号１１３４を出力する。

また、ＧＢ列において、画素１１１９について、ＰＤ１１２６および１１２７の信号電荷に応じた（Ａ＋Ｂ）信号が垂直出力線に出力される。同様に、画素１１１７について、ＰＤ１１２５の信号電荷に応じたＡ信号が垂直出力線に出力される。そして、画素１１２１についてＰＤ１１２９の信号電荷に応じたＢ信号が垂直出力線に出力される。読み出し部２０３は、これら（Ａ＋Ｂ）信号、Ａ信号、およびＢ信号を加算してＢ画素に係る加重平均信号１１３５を出力する。

同様にして、画素１１２２について、ＰＤ１１３０および１１３１の信号電荷に応じた（Ａ＋Ｂ）信号が垂直出力線に出力される。さらに、画素１１２０についてＰＤ１１２８の信号電荷に応じたＡ信号が垂直出力線に出力される。そして、画素１１２４についてＰＤ１１３２の信号電荷に応じたＢ信号が垂直出力線に出力される。読み出し部２０３は、これら（Ａ＋Ｂ）信号、Ａ信号、およびＢ信号を加算してＧ画素に係る加重平均信号１１３６を出力する。

このように、Ｇ画素に関する加重平均信号１１３３および１１３６、Ｒ画素に関する加重平均信号１１３４、およびＢ画素に関する加重平均信号１１３５の各々は、１：２：１の比率で重み付けした加重平均信号である。

図１３は、図１２で説明した読み出し制御を説明するための画素部の一例を示す図である。なお、図１３において、図４および図１２に示す構成要素と同一の構成要素については同一の参照番号を付す。また、ここでは、Ｇ画素に関する加重平均信号１１１３について説明するため、Ｇ画素１１０１、１１０３、および１１０５のみが示されている。

図示のように、Ｇ画素１１０１および１１０３は垂直加算スイッチ１２０１によって接続され、Ｇ画素１１０３および１１０５は垂直加算スイッチ１２０２によって接続されている。具体的には、ＦＤ４０３と出力部４０５とを結ぶラインが垂直加算スイッチ１２０１および１２０２によって接続されている。

ここでは、垂直走査部２０２からｎ行目の画素に与えられる転送パルス信号がφＴＸ１ｎおよびφＴＸ２ｎとされ、同様に、ｎ行目の画素に与えられるリセットパルス信号および選択パルス信号がそれぞれφＲＥＳｎおよびφＳＥＬｎとされる。

画素１１０１においては、垂直走査部２０２は転送パルス信号φＴＸ１ｎをＨレベルとして、ＰＤ１１０９に蓄積された信号電荷をＦＤ４０３に転送する。画素１１０３においては、垂直走査部２０２は転送パルス信号φＴＸ１_ｎ＋２およびφＴＸ２_ｎ＋２をＨレベルとして、ＰＤ１１１０および１１１１に蓄積された信号電荷をＦＤ４０３に転送する。そして、画素１１０５においては、垂直走査部２０２は転送パルス信号φＴＸ２_ｎ＋４をＨレベルとして、ＰＤ１１１３に蓄積された信号電荷をＦＤ４０３に転送する。

垂直加算スイッチ１２０１および１２０２は、垂直走査部２０２から与えられる垂直加算パルス信号φＶＡＤＤによって駆動される。垂直加算スイッチ１２０１および１２０２がオンすると、垂直方向において同色（ここでは、Ｇ）の３画素のＦＤ４０３が接続される。

画素１１０１、１１０３、および１１０５において、ＦＤ４０３の電位は、信号電荷を１：２：１で重み付けした加重平均に相当する電位になる。つまり、ＦＤ４０３が接続されると３画素の信号電荷が加算されることになる。

出力部４０５は、ＦＤ４０３に保持された電荷に応じた電圧信号を増幅して画素信号を垂直出力線４０８に出力する。そして、読み出し部２０３は、垂直出力線４０８に出力された画素信号を後段の回路に送る。

このように、垂直加算パルス信号φＶＡＤＤによって垂直加算スイッチ１２０１および１２０２がオンすると、画素１１０１、１１０３、および１１０５の各々において、ＦＤには同等の加重平均信号が保持されることになる。

したがって、画素信号は３行毎に１行読み出せばよいことになる。つまり、垂直走査部２０２は、例えば、（ｎ＋２）行目、（ｎ＋５）行目、（ｎ＋８）行目のように、３行毎に順次行を選択する。これによって、１行ずつ全ての画素信号を読み出す場合に比べて、垂直方向の走査時間を１／３程度に短縮することができる。

以上のように、本発明の第５の実施形態においても、折り返しノイズの発生およびコントラストの低下を抑えつつ、読み出し時間を短縮して加重平均された画像信号を読み出すことができる。

［第６の実施形態］
次に、本発明の第６の実施形態による撮像素子を備えるカメラの一例について説明する。なお、第６の実施形態において、カメラの構成および撮像素子の構成は第１の実施形態で説明したカメラおよび撮像素子と同様である。

図１４は、本発明の第６の実施形態による撮像素子の読み出し制御を説明するための図である。

図示の例では、水平方向および垂直方向において画素信号を重み付け加算して読み出す制御が示されている。ここでは、第１の実施形態で説明した水平方向における３画素の加算と、第５の実施形態で説明した垂直方向における３画素の加算とが行われる。

上述のような加算読み出しを行うと、１行ずつ全ての画素信号を読み出す場合に比べて、垂直方向の走査時間を１／３程度に短縮することができるとともに、１列ずつ全ての画素信号を読み出す場合に比べて、水平方向の走査時間を１／３程度に短縮することができる。そして、垂直方向および水平方向に画素信号を加算することによって、２次元に加重平均された画像信号を読み出すことができる。

図１４を参照して、同一の一列に配置された画素において、まず、画素１３０３について、ＰＤ１３０８および１３０９の信号電荷に応じた（Ａ＋Ｂ）信号が垂直出力線に出力される。同様に、画素１３０２について、ＰＤ１３０７の信号電荷に応じたＡ信号が垂直出力線に出力される。そして、画素１３０４についてＰＤ１３１０の信号電荷に応じたＢ信号が垂直出力線に出力される。

一方、他の列において、画素１３０１について、ＰＤ１３０６の信号電荷に応じたＡ信号が垂直出力線に出力される。そして、別の他の列において、画素１３０５についてＰＤ１３１１の信号電荷に応じたＢ信号が垂直出力線に出力される。読み出し部２０３は、これら（Ａ＋Ｂ）信号、２つのＡ信号、および２つのＢ信号を加算してＧ画素に係る加重平均信号１３１２を出力する。

このようにして、本発明の第６の実施形態では、折り返しノイズの発生およびコントラストの低下を抑えつつ、読み出し時間を短縮して加重平均された画像信号を読み出すことができる。

［第７の実施形態］
次に、本発明の第６の実施形態による撮像素子を備えるカメラの一例について説明する。なお、第７の実施形態において、カメラの構成および撮像素子の構成は第１の実施形態で説明したカメラおよび撮像素子と同様であるが、画素の構成が異なる。

図１５は、本発明の第７の実施形態による撮像素子の読み出し制御を説明するための図である。

図示の例では、水平方向および垂直方向において画素信号を重み付け加算して読み出す制御が示されている。ここでは、前述の第６の実施形態と同様に、水平方向における３画素の加算と、第５の実施形態で説明した垂直方向における３画素の加算とが行われる。そして、垂直方向および水平方向に画素信号を加算することによって、２次元に加重平均された画像信号を読み出すことができる。但し、ここでは、画素の各々は２行×２列の合計４つのＰＤを備えている。

図１５を参照して、同一の一列に配置された画素において、まず、画素１４０５について、ＰＤ１４１６〜１４１９の信号電荷に応じた画素信号が垂直出力線に出力される。同様に、画素１４０４について、ＰＤ１４１４および１４１５の信号電荷に応じた画素信号が垂直出力線に出力される。そして、画素１４０６についてＰＤ１４２０および１４２１信号電荷に応じたＢ信号が垂直出力線に出力される。

一方、他の列において、画素１４０２について、ＰＤ１４１１および１４１２の信号電荷に応じた画素信号が垂直出力線に出力される。そして、画素１４０１について、ＰＤ１４１０の信号電荷に応じた画素信号が垂直出力線に出力され、画素１４０３について、ＰＤ１４１３の信号電荷に応じた画素信号が垂直出力線に出力される。

別の他の列において、画素１４０８について、ＰＤ１４２３および１４２４の信号電荷に応じた画素信号が垂直出力線に出力される。そして、画素１４０７について、ＰＤ１４２２の信号電荷に応じた画素信号が垂直出力線に出力され、画素１４０９について、ＰＤ１４２５の信号電荷に応じた画素信号が垂直出力線に出力される。読み出し部２０３は、これら画素信号を加算してＧ画素に係る加重平均信号１４２６を出力する。

このようにして、本発明の第７の実施形態では、折り返しノイズの発生およびコントラストの低下を抑えつつ、読み出し時間を短縮して加重平均された画像信号を読み出すことができる。

上述の説明から明らかなように、図４に示す例においては、垂直走査部２０２、読み出し部２０３、および水平走査部２０４が読み出し手段として機能し、読み出し部２０３が加算手段として機能する。

以上、本発明について実施の形態に基づいて説明したが、本発明は、これらの実施の形態に限定されるものではなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲の様々な形態も本発明に含まれる。

例えば、上記の実施の形態の機能を駆動方法として、この制御方法を撮像素子で実行するようにすればよい。また、上述の実施の形態の機能を有するプログラムをコンピュータに実行させるようにしてもよい。なお、プログラムは、例えば、コンピュータに読み取り可能な記録媒体に記録される。

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。つまり、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の記録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など）がプログラムを読み出して実行する処理である。

１０２ 撮像素子
２０１ 画素部
２０２ 垂直走査部
２０３ 読み出し部
２０４ 水平走査部
３０１ 画素
３０３，３０４ 光電変換部（ＰＤ）
４０６ 選択スイッチ
４０７ 定電流源
４０８ 垂直出力線

Claims (10)

1. 受光量に応じた信号電荷を蓄積する複数の光電変換部を備える画素が２次元マトリックス状に配列された撮像素子であって、
   前記画素の各々から前記信号電荷を読み出す際、第１の数の前記光電変換部から前記信号電荷に応じた画素信号を第１の画素信号として読み出すとともに、前記第１の数と異なる第２の数の前記光電変換部から前記信号電荷に応じた画素信号を第２の画素信号として読み出す読み出し手段と、
   予め定められた数の画素を１つの第１の単位として前記第１の単位において前記第１の画素信号および前記第２の画素信号を加算して第１の画像信号を得る加算手段と、
   を有することを特徴とする撮像素子。
2. 前記第１の単位において、前記画素には同色のカラーフィルタが備えられていることを特徴とする請求項１に記載の撮像素子。
3. 前記第１の単位において、前記画素は同一の行又は列に配列されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の撮像素子。
4. 前記第１の単位において、前記画素は２次元マトリックス状に配列されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の撮像素子。
5. 前記読み出し手段は、前記画素における全ての光電変換部の前記信号電荷に応じた画素信号を第３の画素信号として読み出し、
   前記加算手段は、前記第１の単位と異なる第２の単位において前記第３画素信号を加算して第２の画像信号を得ることを特徴とする請求項１に記載の撮像素子。
6. 前記第１の単位に属する画素と前記第２の単位に属する画素とは互いに色が異なるカラーフィルタを備えていることを特徴とする請求項５に記載の撮像素子。
7. 前記第１の単位又は前記第２の単位に属する画素は、同一の行又は列に配列されていることを特徴とする請求項５又は６に記載の撮像素子。
8. 前記第１の単位又は前記第２の単位に属する画素は、２次元マトリックス状に配列されていることを特徴とする請求項５又は６に記載の撮像素子。
9. 受光量に応じた信号電荷を蓄積する複数の光電変換部を備える画素が２次元マトリックス状に配列された撮像素子の駆動方法であって、
   前記画素の各々から前記信号電荷を読み出す際、第１の数の前記光電変換部から前記信号電荷に応じた画素信号を第１の画素信号として読み出すとともに、前記第１の数と異なる第２の数の前記光電変換部から前記信号電荷に応じた画素信号を第２の画素信号として読み出す読み出しステップと、
   予め定められた数の画素を１つの単位として前記単位において前記第１の画素信号および前記第２の画素信号を加算して画像信号を得る加算ステップと、
   を有することを特徴とする駆動方法。
10. 受光量に応じた信号電荷を蓄積する複数の光電変換部を備える画素が２次元マトリックス状に配列された撮像素子を駆動する際に用いられるプログラムであって、
    コンピュータに、
    前記画素の各々から前記信号電荷を読み出す際、第１の数の前記光電変換部から前記信号電荷に応じた画素信号を第１の画素信号として読み出すとともに、前記第１の数と異なる第２の数の前記光電変換部から前記信号電荷に応じた画素信号を第２の画素信号として読み出す読み出しステップと、
    予め定められた数の画素を１つの単位として前記単位において前記第１の画素信号および前記第２の画素信号を加算して画像信号を得る加算ステップと、
    を実行させることを特徴とするプログラム。

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