JP2015186007A - 撮像装置及び撮像装置の駆動方法 - Google Patents

Abstract

【課題】画像信号の読み出しを高速化させることができる撮像装置及び撮像装置の駆動方法を提供することを課題とする。
【解決手段】撮像装置は、行列状に配置された複数の画素と、各列の前記画素に共通に接続される複数の出力線とを有し、前記画素は、光電変換により信号を生成する光電変換部と、前記複数の出力線にそれぞれ接続される複数の出力端子と、前記光電変換部の信号を前記複数の出力端子にそれぞれ出力するための複数の転送スイッチとを有し、一の行の前記画素では、前記複数の転送スイッチのうちの一の転送スイッチがオンし、前記複数の出力端子のうちの一の出力端子から信号を出力させ、他の行の前記画素では、前記複数の転送スイッチのうちの他の転送スイッチがオンし、前記複数の出力端子のうちの他の出力端子から信号を出力させ、前記一の行の画素及び前記他の行の画素の信号が前記複数の出力線に同時に出力される。
【選択図】図４

Description

本発明は、撮像装置及び撮像装置の駆動方法に関する。

近年、対象物までの距離を検出する方法として、ＴＯＦ（Time Of Flight）法が知られている。ＴＯＦ法は、対象物に対して光を投射し、その対照物からの反射光を受けるまでの遅延時間を測定することで、距離検出を行うものである。

特許文献１には、ＴＯＦ法及びその関連技術が開示されている。画素構成としては、１つのフォトダイオードに対して、複数のフローティングディフュージョン（ＦＤ）及び複数の転送スイッチを有する。１個のＦＤに対して１個の転送スイッチが構成される。ＴＯＦ法では、投射光のパルスタイミングと同期させて、２個の転送スイッチを交互に開閉させることで、反射光により発生した電荷を１個のフォトダイオードから２個のＦＤへ振り分ける。その振り分けられた電荷の配分比により、被写体までの距離情報が得られる。

ＴＯＦ法で用いられる固体撮像素子を用いて、一般的な撮像信号を取得することも可能である。すなわち、上記の投射光のパルスタイミング時に蓄積された２個のＦＤからの信号出力を、加算演算処理することで、撮像画像となる輝度情報を得ることができる。また、背景光除去用として別のＦＤと転送スイッチを設けた場合では、投射光のパルスタイミング以外の時に上記の背景光除去用ＦＤに蓄積した電荷から信号出力を得て、その信号出力を撮像信号とすることができる。さらに、上記の信号出力の全てを含めて加算処理して撮像信号とすることもできる。

特開２００４−２９４４２０号公報

撮影画像については、その画素信号を読み出す際、撮影駒速数に影響を与える高速連写性や、次撮影へのシャッターチャンスを逃さないために、読み出しの高速化が望まれている。しかし、特許文献１では、１行毎に１画素から２つ以上の信号出力を得るとともに、１列につき２つ以上の列読み出し回路を設けている。そして、ＴＯＦ法による駆動及び撮像信号として読み出す場合の駆動とも、画素信号の読み出しは、１行毎の読み出しである為、近年の撮像素子の多画素数・多数行化となる中では、その読み出しに時間を要することなる。すなわち、特許文献１では、撮像信号を高速に読み出すための駆動等については考慮されていない。

本発明の目的は、画像信号の読み出しを高速化させることができる撮像装置及び撮像装置の駆動方法を提供することである。

本発明の撮像装置は、行列状に配置された複数の画素と、各列の前記画素に共通に接続される複数の出力線とを有し、前記画素は、光電変換により信号を生成する光電変換部と、前記複数の出力線にそれぞれ接続される複数の出力端子と、前記光電変換部の信号を前記複数の出力端子にそれぞれ出力するための複数の転送スイッチとを有し、一の行の前記画素では、前記複数の転送スイッチのうちの一の転送スイッチがオンし、前記複数の出力端子のうちの一の出力端子から信号を出力させ、他の行の前記画素では、前記複数の転送スイッチのうちの他の転送スイッチがオンし、前記複数の出力端子のうちの他の出力端子から信号を出力させ、前記一の行の画素及び前記他の行の画素の信号が前記複数の出力線に同時に出力されることを特徴とする。

複数行の同時読み出しが可能となり、画像信号を高速に読み出すことができ、連写速度を向上させることができる。

本実施形態による撮像装置の構成例を示すブロック図である。 本実施形態による画素部の構成例を示す図である。 本実施形態による撮像素子の構成例を示す図である。 本実施形態による駆動方法を示すタイミングチャートである。 本実施形態による駆動方法を示すタイミングチャートである。 本実施形態による駆動方法を示すタイミングチャートである。

図１は、本発明の実施形態による撮像装置１２の構成例を示すブロック図である。撮像素子１は、ＣＭＯＳ撮像素子であり、撮影レンズにより結像された被写体像を光電変換することにより、画像信号を生成する。また、撮像素子１は、２次元行列状に配置された複数の画素を有する。各画素は、図２に示すように、１個のフォトダイオード１０１と、２個の転送トランジスタ１０２，１０３と、２個のフローティングディフュージョン（ＦＤ）１０６，１０７を有し、撮影画像及びＴＯＦ方式における距離情報となる画素信号を出力する。ＡＦＥ２は、アナログフロントエンド（Analog Front End）であり、撮像素子１からの信号の増幅や基準レベルの調整（クランプ処理）などを行う信号処理回路である。また、ＡＦＥ２は、上記の処理を行ったアナログ信号をデジタル信号に変換する。ＤＦＥ３は、デジタルフロントエンド（Digital Front End）であり、ＡＦＥ２で変換された各画素のデジタル信号を入力し、画像信号の補正や画素の並び替え等のデジタル処理を行う。画像処理装置５は、ＤＦＥ３の出力信号に対して現像処理を行って表示回路８に画像を表示する。また、画像処理装置５は、制御回路６を介して、画像を記録媒体９に記録する。また、画像処理装置５は、ＴＯＦ方式による画素信号を基に距離演算処理を行う。制御回路６は、操作部７による指示や、メモリ回路４に記憶されている情報に基づき、タイミング発生回路１０に命令を出力する。また、制御回路６は、ＴＯＦ方式時に駆動される投光回路１１を制御する。

メモリ回路４は、画像処理装置５の現像段階での作業用メモリとして、あるいは連続撮像等のバッファメモリとして使用される。操作部７は、撮像装置（デジタルカメラ）１２を起動させるための電源スイッチを有する。また、操作部７は、測光処理、測距処理などの撮影準備動作開始処理、ミラー、シャッターを駆動して撮像素子１から読み出した信号を処理して記録媒体９に書き込む一連の撮像動作の開始を指示するシャッタースイッチなどを有する。また、操作部７は、撮像装置１２の動作モードの設定・切り換えを行うモードスイッチを含む。モードスイッチの設定により、ＴＯＦ方式による測距動作を行うＴＯＦ測距モード、通常画像の撮影動作を行う撮影画像モードの設定・切り換えが行われる。タイミング発生回路１０は、制御回路６からの信号を入力し、撮像素子１を駆動するための各制御信号の生成及び出力を行う。投光回路１１は、制御回路６からの制御信号Ｐｌｉｇｈｔ（図５及び図６）を入力し、ＴＯＦ測距モードによる測距時に被写体に向けて投光される光源の点灯／消灯を行う。投光回路１１は、ＴＯＦ測距モードにおいて、被写体にパルス光を投射させる投光部である。

図３は、図１の撮像素子１の構成例を示す図である。画素領域３００は、２次元行列状に配置された複数の画素３１６を有し、ここでは２行２列の画素３１６を示す。なお、以下、水平ｍ列目及び垂直ｎ行目における画素３１６について主に説明を行う。各制御信号名に続く（ｎ）はｎ行目、（ｎ＋１）はｎ＋１行目を指す。また、垂直出力線ｖｌａ及びｖｌｂに続く（ｍ）はｍ列目、（ｍ＋１）はｍ＋１列目を指す。垂直走査回路３０１は、図１のタイミング発生回路１０からの信号を入力し、制御信号ＰｒｅｓＡ、ＰｒｅｓＢ、ＰｔｘＡ、ＰｔｘＢ、ＰｓｅｌＡ、ＰｓｅｌＢを画素３１６の行単位で順に選択して駆動する。また、垂直走査回路３０１は、撮影画像モード時においては、奇数行及び偶数行の画素３１６に対して、制御信号ＰｔｘＡ及びＰｔｘＢの何れかを交互に出力する。例えば、垂直走査回路３０１は、ｎ行目の画素３１６に制御信号ＰｔｘＡを出力し、ｎ＋１行目の画素３１６に制御信号ＰｔｘＢを出力する。この制御と合わせて、偶数行及び奇数行の２行同時選択を行うことにより、高速読み出しを可能とする。なお、この動作は、図４を参照しながら後述する。

また、垂直走査回路３０１は、ＴＯＦ測距モード時には、制御信号ＰｔｘＡ及びＰｔｘＢの双方のタイミングを変えて出力する。なお、垂直走査回路３０１により出力される制御信号の線は、同じ行に配列された画素３１６に共通に接続されており、同一行の画素３１６は同一に選択されることになる。なお、この動作は、図５を参照しながら後述する。

画素３１６は、第１の出力端子ＶｏｕｔＡが第１の垂直出力線（第１の出力線）ｖｌａ（ｍ）に接続され、第２の出力端子ＶｏｕｔＢが第２の垂直出力線（第２の出力線）ｖｌｂ（ｍ）に接続される。複数の垂直出力線ｖｌａ及びｖｌｂは、各列の画素３１６に共通に接続される。垂直出力線ｖｌａ（ｍ）は、負荷である定電流源３０４ａに接続される。垂直出力線ｖｌｂ（ｍ）は、負荷である定電流源３０４ｂに接続される。読み出し回路３１５は、垂直出力線ｖｌａ（ｍ）及びｖｌｂ（ｍ）に接続される。なお、読み出し回路３１５は、図３においては、ｍ列目の１列分のみを示したものであり、実際には水平方向の画素列数分の同じ回路を有する。

画素３１６の端子ＶｏｕｔＡの出力信号は、垂直出力線Ｖｌａ（ｍ）を介して、容量３０５ａに入力される。画素３１６の端子ＶｏｕｔＢの出力信号は、垂直出力線Ｖｌｂ（ｍ）を介して、容量３０５ｂに入力される。以降、読み出し回路３１５の説明においては、垂直出力線Ｖｌａ（ｍ）に接続される回路及び垂直出力線Ｖｌｂ（ｍ）に接続される回路が同じであるため、代表として、垂直出力線Ｖｌａ（ｍ）に接続される回路について主に説明を行う。

オペアンプ３０６ａは、容量３０５ａ及び帰還容量３０８ａに接続され、反転増幅アンプを構成し、基準電圧ＶＣ０と垂直出力線Ｖｌａ（ｍ）の信号との差分を増幅して出力する。クランプトランジスタ３０７ａは、信号ｐｃ０ｒにより制御され、帰還容量３０８ａの両端をショートすることにより、帰還容量３０８ａのリセット及び後段の保持容量３１０ａ、３１３ａのリセットを行う。オペアンプ３０６ａの出力信号は、転送トランジスタ３０９ａ及び３１２ａを介して、それぞれ保持容量３１０ａ及び３１３ａに保持される。転送トランジスタ３０９ａ及び３１２ａは、それぞれ、信号ｐｃｔｎ及びｐｃｔｓにより駆動される。

なお、後述するタイミングチャートにより、画素３１６の端子ＶｏｕｔＡからの出力となるＦＤ１０６（図２）をリセットした直後のノイズ信号は保持容量３１３ａに保持され、その後ＦＤ１０６に転送された画素信号は保持容量３１０ａに保持される。また、垂直出力線Ｖｌｂ（ｍ）が接続される側では、画素３１６の端子ＶｏｕｔＢからの出力となるＦＤ１０７（図２）をリセットした直後のノイズ信号は保持容量３１３ｂに保持され、その後ＦＤ１０７に転送された画素信号は保持容量３１０ｂに保持される。

水平走査回路３０３ａは、転送トランジスタ３１１ａ及び３１４ａのゲートに信号ｐｈａを出力する。転送トランジスタ３１１ａ及び３１４ａは、信号ｐｈａに応じて、オン／オフし、保持容量３１０ａ及び３１３ａに保持されている画素信号及びノイズ信号を、水平出力線Ｐｓａ及びＰｎａを介して差動アンプ３０２ａに転送する。これにより、端子ＶｏｕｔＡの出力信号は、差動アンプ３０２ａへ入力されることになる。

水平走査回路３０３ｂは、転送トランジスタ３１１ｂ及び３１４ｂのゲートに信号ｐｈｂを出力する。転送トランジスタ３１１ｂ及び３１４ｂは、信号ｐｈｂに応じて、オン／オフし、保持容量３１０ｂ及び３１３ｂに保持されている画素信号及びノイズ信号を、水平出力線Ｐｓｂ及びＰｎｂを介して差動アンプ３０２ｂに転送する。これにより、端子ＶｏｕｔＢの出力信号は、差動アンプ３０２ｂへ入力されることになる。

差動アンプ３０２ａは、水平出力線Ｐｓａの画素信号と水平出力線Ｐｎａのノイズ信号との差分を出力する。差動アンプ３０２ｂは、水平出力線Ｐｓｂの画素信号と水平出力線Ｐｎｂのノイズ信号との差分を出力する。これにより、画素信号からノイズ信号を除去することができる。なお、差動アンプ３０２ａ及び３０２ｂは、最終段読み出し回路に相当する。

なお、画素３１６が３列以上ある場合には、各列の保持容量に保持された信号を、列毎に差動アンプ３０２ａ及び３０２ｂへ順次転送を行うことにより、１行分の出力が得られる。また、撮影画像モードでは、後述するタイミングチャートにより、差動アンプ３０２ａからは偶数列の画像信号を出力し、差動アンプ３０２ｂからは奇数列の画像信号が出力される。

図２は、図３の画素３１６の構成例を示す回路図である。フォトダイオード１０１は、光電変換により電荷（信号）を生成する光電変換部であり、アノードが接地されている。フォトダイオード１０１は、２個の転送トランジスタ１０２及び１０３を介して、２個のフローティングディフュージョン（ＦＤ）１０６及び１０７に接続されている。第１の転送トランジスタ（第１の転送スイッチ）１０２は、フォトダイオード１０１及びＦＤ１０６間に接続され、制御信号ＰｔｘＡにより制御される。第２の転送トランジスタ（第２の転送スイッチ）１０３は、フォトダイオード１０１及びＦＤ１０７間に接続され、制御信号ＰｔｘＢにより制御される。１個のフォトダイオード１０１にて発生した電荷は、２個の転送トランジスタ１０２及び１０３を介して２個のＦＤ１０６及び１０７に転送して読み出すことができる。これにより、時系列的なフォトダイオード１０１の読み出しが可能となり、ＴＯＦ方式を実現している。なお、撮影画像モードでは、時系列的な読みだしは不要であるため、どちらか一方の転送トランジスタ１０２又は１０３、及びＦＤ１０６又は１０７を介して、電荷を読み出す。

ＦＤ１０６及び１０７は、電荷を保持し、電荷を電圧に変換する。増幅トランジスタ１０８は、ゲートがＦＤ１０６に接続され、ドレインが電源電圧ＶＤＤのノードに接続される。リセットトランジスタ１０４は、ドレインが電源電圧ＶＤＤのノードに接続され、ゲートが制御信号ＰｒｅｓＡのノードに接続され、ソースがＦＤ１０６に接続される。選択トランジスタ１０９は、ゲートが制御信号ＰｓｅｌＡのノードに接続され、ドレインが増幅トランジスタ１０８のソースに接続され、ソースが第１の出力端子ＶｏｕｔＡに接続される。

増幅トランジスタ１１０は、ゲートがＦＤ１０７に接続され、ドレインが電源電圧ＶＤＤのノードに接続される。リセットトランジスタ１０５は、ドレインが電源電圧ＶＤＤのノードに接続され、ゲートが制御信号ＰｒｅｓＢのノードに接続され、ソースがＦＤ１０７に接続される。選択トランジスタ１１１は、ゲートが制御信号ＰｓｅｌＢのノードに接続され、ドレインが増幅トランジスタ１１０のソースに接続され、ソースが第２の出力端子ＶｏｕｔＢに接続される。

転送トランジスタ１０２は、制御信号ＰｔｘＡに応じて、フォトダイオード１０１の電荷をＦＤ１０６に転送する。転送トランジスタ１０３は、制御信号ＰｔｘＢに応じて、フォトダイオード１０１の電荷をＦＤ１０７に転送する。増幅トランジスタ１０８は、ＦＤ１０６の電圧を増幅し、選択トランジスタ１０９に出力する。増幅トランジスタ１１０は、ＦＤ１０７の電圧を増幅し、選択トランジスタ１１１に出力する。

リセットトランジスタ１０４は、制御信号ＰｒｅｓＡに応じて、ＦＤ１０６及びフォトダイオード１０１を電源電圧ＶＤＤにリセットする。リセットトランジスタ１０５は、制御信号ＰｒｅｓＢに応じて、ＦＤ１０７及びフォトダイオード１０１を電源電圧ＶＤＤにリセットする。これらのリセット後に、ＦＤ１０６及び１０７から読み出される信号は、ノイズ信号として、図３の保持容量３１３ａ及び３１３ｂに保持される。

選択トランジスタ１０９は、制御信号ＰｓｅｌＡに応じて、増幅トランジスタ１０８により増幅された電圧を端子ＶｏｕｔＡへ出力する。選択トランジスタ１１１は、制御信号ＰｓｅｌＢに応じて、増幅トランジスタ１１０により増幅された電圧を端子ＶｏｕｔＢへ出力する。

図３に示すように、同一列の画素３１６の端子ＶｏｕｔＡは、同一の垂直出力線Ｖｌａに接続される。同一列の画素３１６の端子ＶｏｕｔＢは、同一の垂直出力線Ｖｌｂに接続される。増幅トランジスタ１０８は、選択トランジスタ１０９を介して、負荷である定電流源３０４ａに接続され、ソースフォロワアンプとして機能する。増幅トランジスタ１１０は、選択トランジスタ１１１を介して、負荷である定電流源３０４ｂに接続され、ソースフォロワアンプとして機能する。

図４は、撮像モード（第１のモード）における撮像素子１の駆動方法を示すタイミングチャートである。撮像モードは、被写体像の撮像を行うためのモードであり、画像信号を読み出す際に、２行同時選択し、選択した２行の偶数行と奇数行にて異なる転送トランジスタ１０６及び１０７を駆動することで、画像信号を高速に読み出すことができる。なお、ここでの撮像装置の設定としては、操作部７の動作モードスイッチにより撮像モードに設定されている。図４において、信号レベルがハイレベル状態となることにより、駆動されるトランジスタ及びスイッチがオンするものとする。また、図４では、ｎ行目及びｎ＋１行目の画素３１６の画像信号を読み出す例を示す。

時刻ｔ０よりも前では、全画素３１６のリセットトランジスタ１０４，１０５及び転送トランジスタ１０２，１０３がオンし、フォトダイオード１０１及びＦＤ１０６，１０７が電源電圧ＶＤＤにリセットされる。その後、転送トランジスタ１０２及び１０３をオフすることにより、全画素３１６のフォトダイオード１０１の電荷蓄積期間が開始する。

ｎ行目の画素３１６では、信号ＰｔｘＡにより、転送トランジスタ１０２のみを駆動する。ｎ＋１行目の画素３１６では、信号ＰｔｘＢにより、転送トランジスタ１０３のみを駆動する。

時刻ｔ０では、信号ＰｒｅｓＡ（ｎ）、ＰｒｅｓＢ（ｎ）、ＰｒｅｓＡ（ｎ＋１）、及びＰｒｅｓＢ（ｎ＋１）がハイレベルからローレベルになる。これにより、ｎ行目及びｎ＋１行目のリセットトランジスタ１０４及び１０５がオフし、画素３１６のＦＤ１０６及びＦＤ１０７の電源電圧ＶＤＤへのリセットが解除される。

次に、時刻ｔ１では、信号ＰｓｅｌＡ（ｎ）がローレベルからハイレベルとなり、ｎ行目の画素３１６では、選択トランジスタ１０９がオンとなり、リセットに基づく信号が端子ＶｏｕｔＡから垂直出力線ｖｌａに出力される。また、同時に、信号ＰｓｅｌＢ（ｎ＋１）がローレベルからハイレベルとなり、ｎ＋１行目の画素３１６では、選択トランジスタ１１１がオンとなり、リセットに基づく信号が端子ＶｏｕｔＢから垂直出力線ｖｌｂに出力される。

次に、時刻ｔ２では、信号Ｐｃ０ｒがハイレベルになり、クランプトランジスタ３０７ａ及び３０７ｂがオンする。すると、帰還容量３０９ａ及び３０８ｂの両端がショートし、帰還容量３０８ａ，３０８ｂ及び容量３０５ａ，３０５ｂがリセットされる。

次に、時刻ｔ３では、信号Ｐｃｔｓ及びＰｃｔｎがハイレベルになり、トランジスタ３０９ａ，３０９ｂ，３１２ａ，３１２ｂがオンする。すると、保持容量３１３ａ，３１３ｂ，３１０ａ，３１０ｂがリセットされる。これにより各容量のリセットが完了する。

次に、時刻ｔ４では、信号Ｐｃｔｎ及びＰｃｔｓ信号がローレベルになり、トランジスタ３０９ａ，３０９ｂ，３１２ａ，３１２ｂがオフする。これにより、保持容量３１３ａ，３１３ｂ，３１０ａ，３１０ｂのリセットが解除される。

次に、時刻ｔ５では、信号Ｐｃ０ｒがローレベルになり、クランプトランジスタ３０７ａ及び３０７ｂがオフする。これにより、帰還容量３０８ａ，３０８ｂ及び容量３０５ａ，３０５ｂのリセットが解除される。

信号ＰｓｅｌＡ（ｎ）がハイレベルであり、ｎ行目の画素３１６の端子ＶｏｕｔＡは、リセットに基づく信号を垂直出力線ｖｌａに出力している。また、信号ＰｓｅｌＢ（ｎ＋１）がハイレベルであり、ｎ＋１行目の画素３１６の端子ＶｏｕｔＢは、リセットに基づく信号を垂直出力線ｖｌａに出力している。

次に、時刻ｔ６では、信号Ｐｃｔｎがローレベルからハイレベルになり、トランジスタ３１２ａ及び３１２ｂがオンする。これにより、保持容量３１３ａ及び３１３ｂでは、それぞれ、オペアンプ３０６ａ及び３０６ｂの出力信号の書き込みが開始する。

次に、時刻ｔ７では、信号Ｐｃｔｎがローレベルになり、トランジスタ３１２ａ及び３１２ｂがオフする。これにより、保持容量３１３ａ及び３１３ｂでは、それぞれ、オペアンプ３０６ａ及び３０６ｂの出力信号の書き込みが終了する。保持容量３１３ａ及び３１３ｂは、画素３１６及びオペアンプ３０６ａ，３０６ｂのリセットに基づくノイズ信号を保持する。端子ＶｏｕｔＡのノイズ信号は保持容量３１３ａに保持され、端子ＶｏｕｔＢのノイズ信号は保持容量３１３ｂに保持される。

次に、時刻ｔ８では、信号ＰｔｘＡ（ｎ）がローレベルからハイレベルに変化し、ｎ行目の画素３１６の転送トランジスタ１０２がオンする。すると、ｎ行目の画素３１６では、フォトダイオード１０１の光電変換に基づく電荷がＦＤ１０６に転送され、端子ＶｏｕｔＡは、光電変換に基づく信号を垂直出力線ｖｌａに出力する。また、信号ＰｔｘＢ（ｎ＋１）がローレベルからハイレベルに変化し、ｎ＋１行目の画素３１６の転送トランジスタ１０３がオンする。すると、ｎ＋１行目の画素３１６では、フォトダイオード１０１の光電変換に基づく電荷がＦＤ１０７に転送され、端子ＶｏｕｔＢは、光電変換に基づく信号を垂直出力線ｖｌｂに出力する。これにより、ｎ行目の画素３１６では、端子ＶｏｕｔＡから信号がされ、ｎ＋１行目の画素３１６では、端子ＶｏｕｔＢから信号が出力される。

次に、時刻ｔ９では、信号ＰｔｘＡ（ｎ）がローレベルになり、ｎ行目の画素３１６の転送トランジスタ１０２がオフし、電荷の転送が終了する。また、信号ＰｔｘＢ（ｎ＋１）がローレベルになり、ｎ＋１行目の画素３１６の転送トランジスタ１０３がオフし、電荷の転送が終了する。

次に、時刻ｔ１０では、信号Ｐｃｔｓがハイレベルになり、トランジスタ３０９ａ及び３０９ｂがオンする。これにより、保持容量３１０ａ及び３１０ｂでは、それぞれ、オペアンプ３０６ａ及び３０６ｂの出力信号の書き込みが開始する。

次に、時刻ｔ１１では、信号Ｐｃｔｓがローレベルになり、トランジスタ３０９ａ及び３０９ｂがオフする。これにより、保持容量３１０ａ及び３１０ｂでは、それぞれ、オペアンプ３０６ａ及び３０６ｂの出力信号の書き込みが終了する。保持容量３１０ａ及び３１０ｂは、画素３１６の光電変換に基づく画素信号を保持する。端子ＶｏｕｔＡの画素信号は保持容量３１０ａに保持され、端子ＶｏｕｔＢの画素信号は保持容量３１０ｂに保持される。ｎ行目の画素３１６では、端子ＶｏｕｔＡ側の画素信号が保持容量３１０ａに保持され、ｎ＋１行目の画素３１６では、端子ＶｏｕｔＢ側の画素信号が保持容量３１０ｂに保持される。

次に、時刻ｔ１２では、信号ＰｓｅｌＡ（ｎ）及びＰｓｅｌＢ（ｎ＋１）がローレベルになる。これにより、ｎ行目の画素３１６では、選択トランジスタ１０９がオフとなり、ｎ＋１行目の画素３１６では、選択トランジスタ１１１がオフとなる。

次に、時刻ｔ１３では、信号ＰｒｅｓＡ（ｎ）、ＰｒｅｓＢ（ｎ）、ＰｒｅｓＡ（ｎ＋１）、ＰｒｅｓＢ（ｎ＋１）がハイレベルになる。これにより、ｎ行目及びｎ＋１行目の画素３１６では、リセットトランジスタ１０４及び１０５がオンし、ＦＤ１０６及び１０７は再び電源電圧ＶＤＤにリセットされる。

その後、信号Ｐｈａのパルスは、水平走査回路３０３ａにより、順次、各列に出力される。これにより、各列のトランジスタ３１１ａ及び３１４ａが順次オンし、保持容量３１０ａの画素信号は水平出力線Ｐｓａに転送され、保持容量３１３ａのノイズ信号は水平出力線Ｐｎａに転送される。差動アンプ３０２ａは、ｎ行目の画素３１６の端子ＶｏｕｔＡの信号に対応する水平出力線Ｐｓａの画素信号と水平出力線Ｐｎａのノイズ信号の差分を出力する。

また、信号Ｐｈｂのパルスは、水平走査回路３０３ｂにより、順次、各列に出力される。これにより、各列のトランジスタ３１１ｂ及び３１４ｂが順次オンし、保持容量３１０ｂの画素信号は水平出力線Ｐｓｂに転送され、保持容量３１３ｂのノイズ信号は水平出力線Ｐｎｂに転送される。差動アンプ３０２ｂは、ｎ＋１行目の画素３１６の端子ＶｏｕｔＢの信号に対応する水平出力線Ｐｓｂの画素信号と水平出力線Ｐｎｂのノイズ信号の差分を出力する。

上記のｎ行目及びｎ＋１行目の２行分の出力が終了したら、それ以降の行の読み出しを上述と同様に行う。撮像素子１に配置された行数分の出力が行われると、撮像信号の出力が終了する。

以上のように、ｎ行目の画素３１６では端子ＶｏｕｔＡから信号を出力し、ｎ＋１行目の画素３１６では端子ＶｏｕｔＢから信号を出力する。これにより、ｎ行目及びｎ＋１行目の画素３１６からの信号同時読み出し出しが可能となり、撮像信号を高速に読み出すことができる。

なお、本実施形態では、時刻ｔ０において、信号ＰｒｅｓＡ（ｎ）、ＰｒｅｓＢ（ｎ）、ＰｒｅｓＡ（ｎ＋１）、ＰｒｅｓＢ（ｎ＋１）の全てについてハイレベルからローレベルに変化させているが、これに限定されない。ｎ行目の画素３１６では、端子ＶｏｕｔＢが画素信号を出力しない為、信号ＰｒｅｓＢ（ｎ）はハイレベルのままとし、リセット状態としておいてもよい。また、同様に、ｎ＋１行目の画素３１６では、端子ＶｏｕｔＡは画素信号を出力しない為、信号ＰｒｅｓＡ（ｎ＋１）はハイレベルのままとし、リセット状態のままとしておいてもよい。

図５は、ＴＯＦ測距モード（第２のモード）における撮像素子１の駆動方法を示すタイミングチャートである。撮像装置の設定として、操作部７の動作モードスイッチにより、ＴＯＦ測距モードに設定されている。各行の画素３１６は、信号ＰｔｘＡ及びＰｔｘＢにより駆動される。ＴＯＦ測距モードでは、撮像装置内の投光回路１１により点灯制御される光源が投光する。ここで投光される光は、例えば赤外光である。その投光された光に対する被写体からの反射光は、フォトダイオード１０１に入射する。フォトダイオード１０２は、入射した光を電荷に変換する。フォトダイオード１０１の電荷は、時系列で２個のＦＤ１０６及び１０７に転送され、別途の出力値とすることで、時刻差での出力差を得ることにより、距離情報を得ることができる。なお、各行の駆動は同様に行わるため、ここではｎ行目の読み出しの例を説明する。

時刻ｔ１００よりも前では、信号ＰｒｅｓＡ（ｎ）及びＰｒｅｓＢ（ｎ）がハイレベルであり、ｎ行目の画素３１６のリセットトランジスタ１０４及び１０５はオンしている。また、信号ＰｔｘＡ（ｎ）及びＰｔｘＢ（ｎ）もハイレベルであり、ｎ行目の画素３１６の転送トランジスタ１０２及び１０３がオンしている。これにより、フォトダイオード１０１、ＦＤ１０６及び１０７が電源電圧ＶＤＤにリセットされている。フォトダイオード１０１のリセットを行うことにより、蓄積された光学像や暗電流による電荷がリセットされる。

時刻ｔ１００〜ｔ１０５の信号ＰｓｅｌＢ（ｎ）以外の信号は、前述の撮像モードにて説明を行った図４の時刻ｔ０〜ｔ５の信号と同様であり、同様の動作を行う。なお、ＴＯＦ測距モードでは、各行は信号ＰｔｘＡ（ｎ）及びＰｔｘＢ（ｎ）による駆動が行われるため、信号ＰｓｅｌＢ（ｎ）は信号ＰｓｅｌＡ（ｎ）と同じになる。時刻ｔ１０１〜ｔ１１５では、信号ＰｔｘＡ（ｎ）及びＰｔｘＢ（ｎ）がハイレベルであり、選択トランジスタ１０９及び１１１がオンする。以下、図５が図４と異なる点を説明する。

時刻ｔ１０６では、信号Ｐｃｔｎがローレベルからハイレベルに変化し、トランジスタ３１２ａ，３１２ｂがオンする。ｎ行目の画素３１６では、端子ＶｏｕｔＡは、リセットに基づく信号を垂直出力線ｖｌａに出力し、端子ＶｏｕｔＢは、リセットに基づく信号を垂直出力線ｖｌｂに出力する。保持容量３１３ａ及び３１３ｂでは、それぞれ、オペアンプ３０６ａ及び３０６ｂの出力信号の書き込みが開始する。

次に、時刻ｔ１０７では、信号Ｐｃｔｎがローレベルになり、トランジスタ３１２ａ及び３１２ｂがオフする。これにより、保持容量３１３ａ及び３１３ｂでは、それぞれ、オペアンプ３０６ａ及び３０６ｂの出力信号の書き込みが終了する。保持容量３１３ａ及び３１３ｂは、画素３１６及びオペアンプ３０６ａ，３０６ｂのリセットに基づくノイズ信号を保持する。端子ＶｏｕｔＡのノイズ信号は保持容量３１３ａに保持され、端子ＶｏｕｔＢのノイズ信号は保持容量３１３ｂに保持される。

次に、時刻ｔ１０８では、信号ＰｔｘＡ（ｎ）がローレベルからハイレベルに変化し、ｎ行目の画素３１６の転送トランジスタ１０２がオンする。すると、ｎ行目の画素３１６では、フォトダイオード１０１の光電変換に基づく電荷がＦＤ１０６に転送され、端子ＶｏｕｔＡは、光電変換に基づく信号を垂直出力線ｖｌａに出力する。

次に、時刻ｔ１０９では、投光回路１１は、被写体に投光する光源を点灯させるため、信号Ｐｌｉｇｈｔをハイレベルにする。信号Ｐｌｉｇｈｔは、時刻ｔ１０９〜ｔ１１１の期間でハイレベルであり、この期間中は光源が被写体に向けて投光している。また、この期間、被写体からの反射光がある場合、フォトダイオード１０１は反射光を受光し、光電変換を行う。撮像装置から被写体までの距離Ｌは、光速Ｃ、投光から反射光が得られるまで時間Ｔｄを基に、次式のように、表すことができる。
Ｌ＝Ｔｄ×Ｃ／２

時刻ｔ１１０では、信号ＰｔｘＡ（ｎ）がハイレベルからローレベルに変化し、ｎ行目の画素３１６の転送トランジスタ１０２がオフし、電荷の転送が終了する。これにより、フォトダイオード１０１から転送された最初の蓄積電荷がＦＤ１０６に保持される。また、信号ＰｔｘＢがローレベルからハイレベルに変化し、ｎ行目の画素３１６の転送トランジスタ１０３がオンする。すると、ｎ行目の画素３１６では、フォトダイオード１０１の光電変換に基づく電荷はＦＤ１０７に転送され、端子ＶｏｕｔＢは、光電変換に基づく信号を垂直出力線ｖｌｂに出力する。

次に、時刻ｔ１１１では、信号Ｐｌｉｇｈｔがローレベルになり、投光回路１１が光源を消灯させる。

次に、時刻ｔ１１２では、信号ＰｔｘＢ（ｎ）がハイレベルからローレベルに変化し、ｎ行目の画素３１６の転送トランジスタ１０３がオフし、電荷の転送が終了する。これにより、フォトダイオード１０１で新たに発生した電荷が他方のＦＤ１０７に保持される。

次に、時刻ｔ１１３では、信号Ｐｃｔｓがハイレベルになり、トランジスタ３０９ａ及び３０９ｂがオンする。これにより、保持容量３１０ａ及び３１０ｂでは、それぞれ、オペアンプ３０６ａ及び３０６ｂの出力信号の書き込みが開始される。

次に、時刻ｔ１１４では、信号Ｐｃｔｓがローレベルになり、トランジスタ３０９ａ及び３０９ｂがオフする。これにより、保持容量３１０ａ及び３１０ｂでは、それぞれ、オペアンプ３０６ａ及び３０６ｂの出力信号の書き込みが終了する。保持容量３１０ａには、ＦＤ１０６の最初の蓄積電荷による画素信号が保持される。保持容量３１０ｂには、ＦＤ１０７の新たに発生した電荷による画素信号が保持される。

次に、時刻ｔ１１５では、信号ＰｓｅｌＡ（ｎ）及びＰｓｅｌＢ（ｎ）がローレベルになる。これにより、ｎ行目の画素３１６では、選択トランジスタ１０９及び１１１がオフとなる。

次に、時刻ｔ１１６では、信号ＰｒｅｓＡ（ｎ）及びＰｒｅｓＢ（ｎ）がハイレベルになる。これにより、ｎ行目の画素３１６では、リセットトランジスタ１０４及び１０５がオンし、ＦＤ１０６及び１０７は再び電源電圧ＶＤＤにリセットされる。

その後、信号Ｐｈａのパルスは、水平走査回路３０３ａにより、順次、各列に出力される。これにより、各列のトランジスタ３１１ａ及び３１４ａが順次オンし、保持容量３１０ａの画素信号は水平出力線Ｐｓａに転送され、保持容量３１３ａのノイズ信号は水平出力線Ｐｎａに転送される。差動アンプ３０２ａは、ｎ行目の画素３１６の端子ＶｏｕｔＡの信号に対応する水平出力線Ｐｓａの画素信号と水平出力線Ｐｎａのノイズ信号の差分を、最初の蓄積電荷に基づく画素信号として出力する。

また、信号Ｐｈｂのパルスは、水平走査回路３０３ｂにより、順次、各列に出力される。これにより、各列のトランジスタ３１１ｂ及び３１４ｂが順次オンし、保持容量３１０ｂの画素信号は水平出力線Ｐｓｂに転送され、保持容量３１３ｂのノイズ信号は水平出力線Ｐｎｂに転送される。差動アンプ３０２ｂは、ｎ＋１行目の画素３１６の端子ＶｏｕｔＢの信号に対応する水平出力線Ｐｓｂの画素信号と水平出力線Ｐｎｂのノイズ信号の差分を、新たに発生した電荷に基づく画素信号として出力する。

上記の出力が終了したら、それ以降の行の読み出しを上述と同様に行う。撮像素子１に配置された行数分の出力が行われる。この後、画像処理装置（画像処理部）５は、差動アンプ３０２ａが出力する最初の蓄積電荷に基づく画素信号と差動アンプ３０２ｂが出力する新たに発生した電荷に基づく画素信号の比を基に、投射光に対する反射光の遅延時間Ｔｄを演算する。そして、画像処理装置５は、前述した距離Ｌと遅延時間Ｔｄの関係式から、被写体までの距離Ｌを演算する。

図６は、図５のタイミングチャートの一部を示すタイミングチャートであり、ＴＯＦ方式の測距の原理を説明するための図である。時刻ｔ１０８では、信号ＰｔｘＡ（ｎ）がハイレベルになる。時刻ｔ１１０では、信号ＰｔｘＡ（ｎ）がローレベルになると同時に、信号ＰｔｘＢ（ｎ）がハイレベルになる。時刻ｔ１１２では、信号ＰｔｘＢ（ｎ）がローレベルになる。時刻ｔ１０９〜ｔ１１１の期間では、信号ＰｔｘＡ（ｎ）及びＰｔｘＢ（ｎ）がハイレベルであり、信号Ｐｌｉｇｈｔがハイレベルであり、投光回路１１によりパルス光が投射される。撮像装置１２から被写体までの距離がゼロならば、反射光は信号Ｐｌｉｇｈｔと同じタイミングで受光され、信号ＰｔｘＡ（ｎ）に基づく端子ＶｏｕｔＡと信号ＰｔｘＢ（ｎ）に基づく端子ＶｏｕｔＢは等しい信号を出力する。しかし、撮像装置１２から被写体までの距離がゼロでない場合、図６のように、反射光は、信号Ｐｌｉｇｈｔに対して、（ｔ１０９ａ−ｔ１０９）の時間だけ遅れて受光される。その結果、信号ＰｔｘＡ（ｎ）に基づく端子ＶｏｕｔＡは、（ｔ１１０−ｔ１０９ａ）の期間に受光した信号を出力し、信号ＰｔｘＢ（ｎ）に基づく端子ＶｏｕｔＢは、（ｔ１１１ａ−ｔ１１０）の期間に受光した信号を出力することになり、両者に偏りが生じる。画像処理装置５は、これらの信号の比を基に、反射光の投射光に対する遅延時間Ｔｄを推定し、その遅延時間Ｔｄと光速Ｃとの積を基に、撮像装置１２から被写体までの距離Ｌを演算する。

なお、垂直出力線ｖｌａ，ｖｌｂ、出力端子ＶｏｕｔＡ，ＶｏｕｔＢ、転送トランジスタ１０２，１０３、ＦＤ１０６，１０７、リセットトランジスタ１０４，１０５、増幅トランジスタ１０８，１１０、選択トランジスタ１０９，１１１は２個ずつに限定されない。垂直出力線ｖｌａ，ｖｌｂ、出力端子ＶｏｕｔＡ，ＶｏｕｔＢ、転送トランジスタ１０２，１０３、ＦＤ１０６，１０７、リセットトランジスタ１０４，１０５、増幅トランジスタ１０８，１１０、選択トランジスタ１０９，１１１はそれぞれ３個以上でもよい。

撮像モードでは、一の行の画素３１６では、複数の転送トランジスタのうちの一の転送トランジスタがオンし、複数の出力端子のうちの一の出力端子から信号を出力させる。他の行の画素３１６では、複数の転送トランジスタのうちの他の転送トランジスタがオンし、複数の出力端子のうちの他の出力端子から信号を出力させる。一の行の画素３１６及び他の行の画素３１６の信号は、複数の出力線に同時に出力される。

ＴＯＦ測距モードでは、一の行の画素３１６では、複数の転送トランジスタのうちの一の転送トランジスタがオンし、複数の出力端子のうちの一の出力端子から信号を出力させる。その後、複数の転送トランジスタのうちの他の転送トランジスタがオンし、複数の出力端子のうちの他の出力端子から信号を出力させる。

具体的には、ＴＯＦ測距モードでは、図６に示すように、時刻ｔ１０８では、一の転送トランジスタがオンする。その後、時刻ｔ１０９では、投光回路１１がパルス光の投射を開始させる。その後、時刻ｔ１１０では、一の転送トランジスタがオフし、他の転送トランジスタがオンする。その後、時刻ｔ１１１では、投光回路１１がパルス光の投射を終了させる。その後、時刻ｔ１１２では、他の転送トランジスタがオフする。

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。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 フォトダイオード、１０２，１０３ 転送トランジスタ、１０４，１０５ リセットトランジスタ、１０６，１０７ フローティングディフュージョン、１０８，１１０ 増幅トランジスタ、１０９，１１１ 選択トランジスタ

Claims (7)

1. 行列状に配置された複数の画素と、
   各列の前記画素に共通に接続される複数の出力線とを有し、
   前記画素は、
   光電変換により信号を生成する光電変換部と、
   前記複数の出力線にそれぞれ接続される複数の出力端子と、
   前記光電変換部の信号を前記複数の出力端子にそれぞれ出力するための複数の転送スイッチとを有し、
   一の行の前記画素では、前記複数の転送スイッチのうちの一の転送スイッチがオンし、前記複数の出力端子のうちの一の出力端子から信号を出力させ、
   他の行の前記画素では、前記複数の転送スイッチのうちの他の転送スイッチがオンし、前記複数の出力端子のうちの他の出力端子から信号を出力させ、
   前記一の行の画素及び前記他の行の画素の信号が前記複数の出力線に同時に出力されることを特徴とする撮像装置。
2. 前記複数の出力線は、第１の出力線及び第２の出力線を有し、
   前記複数の出力端子は、第１の出力端子及び第２の出力端子を有し、
   前記複数の転送スイッチは、第１の転送スイッチ及び第２の転送スイッチを有し、
   偶数行の前記画素では、前記第１の転送スイッチがオンし、前記第１の出力端子から信号を出力させ、
   奇数行の前記画素では、前記第２の転送スイッチがオンし、前記第２の出力端子から信号を出力させ、
   前記偶数行の画素及び前記奇数行の画素の信号が前記第１の出力線及び前記第２の出力線に同時に出力されることを特徴とする請求項１記載の撮像装置。
3. 第１のモード及び第２のモードを有し、
   前記第１のモードでは、
   一の行の前記画素では、前記複数の転送スイッチのうちの一の転送スイッチがオンし、前記複数の出力端子のうちの一の出力端子から信号を出力させ、
   他の行の前記画素では、前記複数の転送スイッチのうちの他の転送スイッチがオンし、前記複数の出力端子のうちの他の出力端子から信号を出力させ、
   前記一の行の画素及び前記他の行の画素の信号が前記複数の出力線に同時に出力され、
   前記第２のモードでは、
   一の行の前記画素では、前記複数の転送スイッチのうちの一の転送スイッチがオンし、前記複数の出力端子のうちの一の出力端子から信号を出力させ、その後、前記複数の転送スイッチのうちの他の転送スイッチがオンし、前記複数の出力端子のうちの他の出力端子から信号を出力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. さらに、前記第２のモードにおいて、被写体にパルス光を投射させる投光部を有することを特徴とする請求項３記載の撮像装置。
5. 前記第２のモードでは、前記一の転送スイッチがオンし、その後、前記投光部がパルス光の投射を開始させ、その後、前記一の転送スイッチがオフし、前記他の転送スイッチがオンし、その後、前記投光部がパルス光の投射を終了させ、その後、前記他の転送スイッチがオフすることを特徴とする請求項４記載の撮像装置。
6. さらに、前記第２のモードの前記複数の出力線の信号を基に前記被写体までの距離を演算する画像処理部を有することを特徴とする請求項４又は５記載の撮像装置。
7. 行列状に配置された複数の画素と、
   各列の前記画素に共通に接続される複数の出力線とを有する撮像装置の駆動方法であって、
   前記画素は、
   光電変換により信号を生成する光電変換部と、
   前記複数の出力線にそれぞれ接続される複数の出力端子と、
   前記光電変換部の信号を前記複数の出力端子にそれぞれ出力するための複数の転送スイッチとを有し、
   一の行の前記画素では、前記複数の転送スイッチのうちの一の転送スイッチがオンし、前記複数の出力端子のうちの一の出力端子から信号を出力させるステップと、
   他の行の前記画素では、前記複数の転送スイッチのうちの他の転送スイッチがオンし、前記複数の出力端子のうちの他の出力端子から信号を出力させるステップとを有し、
   前記一の行の画素及び前記他の行の画素の信号が前記複数の出力線に同時に出力されることを特徴とする撮像装置の駆動方法。

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