JP2015204469A5

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Publication number: JP2015204469A5
Application number: JP2014081435A
Authority: JP
Filing date: 2014-04-10
Publication date: 2017-06-01
Anticipated expiration: 2034-04-10

Description

本第１の実施形態では、１行ずつ画素信号を出力させる通常読み出しモードと、複数行の画素１０１から同時に信号を出力させる加算読み出しモードを有する。そして、選択されたモードに応じて、垂直走査回路１０９は画素部１０５に対して、行選択スイッチ１５のＯＮ／ＯＦＦ制御を行う。

具体的には、通常読み出しモードを行う場合、垂直走査回路１０９が信号φＳＥＬを出力する画素行の行選択スイッチ１５のみをＯＮする。例えばｎ行目の画素１０１（ｉ，ｎ）の信号出力を行う場合は、φＳＥＬｎを「Ｈ」とし、行選択スイッチ１５をＯＮする。

そこで、第１の実施形態では、列読み出し回路１０６の列毎に、出力レンジを揃える補正回路１１０を設ける。図３は、列読み出し回路１０６に設けられた補正回路１１０の構成を示す図である。補正回路１１０は、列アンプ１と、クランプ容量２と、可変容量３を有している。列アンプ１には、クランプ容量２と、可変容量３が図３に示されるように接続され、垂直出力線１７に出力された信号にゲインをかけて出力する。クランプ容量２と可変容量３は、この２つの容量の比率で列アンプ１の増幅率を決定することが可能である。例えば、クランプ容量２の容量値をＣ０、可変容量３の容量値をＣｖとすると、１．５倍のゲインをかけたい場合はＣｖ＝２／３×Ｃ０とする。

これらの駆動によって１行分の画素１０１（ｉ，ｎ−１）から信号出力が行われる。同様にして、時刻ｔ６からｔ１０においてｎ行目の信号出力、時刻ｔ１１からｔ１５においてｎ＋１行目の信号出力が行われる。ｎ行目の信号出力、すなわち画素１０１（ｉ，ｎ）の信号出力では、かけるゲインは１倍なので、Ｃｖ＝Ｃ０に設定する。また、ｎ＋１行目の信号出力、すなわち画素１０１（ｉ，ｎ＋１）の信号出力では、かけるゲインは２倍なので、Ｃｖ＝１／２×Ｃ０に設定する。

上記の重み付けの比率はガウシアンフィルターの例であるが、これらの比率は、得たい画質、すなわち解像感、モアレの程度に応じて決定されるのが好適である。また、例えば３画素の出力信号混合時に重み付けの重心を端側にずらしたい場合は、ＦＤ容量の容量比を１：２：２のように設定してもよい。

次に、加算読み出しモードの駆動について説明する。ここでは、３行分の画素２０１（ｉ，ｎ−１）、２０１（ｉ，ｎ）、２０１（ｉ，ｎ＋１）の出力信号の混合を行う例について説明する。なお、通常読み出しモードではφＡＤＤを使用せず、第１の実施形態の図４に示す駆動と同様であるため説明を省略する。

なお、ＦＤ容量を拡大させる手法として、転送スイッチ１２がＯＮした際の寄生容量を利用することも可能である。すなわち、加算読み出しモード時に、混合出力を行う期間ｔ２４〜ｔ２５に信号φＴＸｎ−１、φＴＸｎ＋１を「Ｈ」とし、転送スイッチ１２ｎ−１、１２ｎ＋１をＯＮさせておく。これにより、画素２０１（ｉ，ｎ−１）、２０１（ｉ，ｎ＋１）のＦＤ容量を拡大させる。この間、信号φＴＸｎは「Ｌ」にし、転送スイッチ１２ｎはＯＦＦにする。

図１０は、第３の実施形態における加算読み出しモード時の駆動を示すタイミングチャートである。まず時刻ｔ２６からｔ３０の期間において、信号φＳＥＬｎ−２、φＳＥＬｎ、φＳＥＬｎ＋２を「Ｈ」とすることで、各行の選択スイッチ１５ｎ−２、１５ｎ、１５ｎ＋２がＯＮする。この期間では、ｎ−２行目、ｎ行目、ｎ＋２行目の３画素の信号の混合出力が行われる。また、信号φＡＤＤｎ−２、φＡＤＤｎ＋１を「Ｈ」とすることで容量切替スイッチ３７ｎ−２、３７ｎ＋１がＯＮし、ＦＤ１６ｎ−２、１６ｎ＋２に対して、それぞれＦＤ１６ｎ−１、１６ｎ＋１を追加容量として接続する。なお、ＦＤ１６ｎ−１、１６ｎ＋１を有する画素３０１（ｉ，ｎ−１）、３０１（ｉ，ｎ＋１）はＧｂのカラーフィルタを持ち、期間ｔ２６〜ｔ３０では読み出しを行わないのでＦＤ１６ｎ−１、１６ｎ＋１を利用可能である。

ここで、ＦＤ１６ｎ−３〜１６ｎ＋３の容量が全てＣｆで等しい値であるとすると、ｎ行目のＦＤ容量はＣｆ、一方ｎ−２行目、ｎ＋２行目のＦＤ容量は２×Ｃｆとなる。ところで、容量拡大用ＦＤとして利用するＦＤは、ＦＤ１６ｎ−１の代わりにＦＤ１６ｎ−３を、ＦＤ１６ｎ＋１の代わりにＦＤ１６ｎ＋３を用いても良い。その際にはφＡＤＤｎ−２、φＡＤＤｎ＋１を「Ｌ」とし、代わりにφＡＤＤｎ−３とφＡＤＤｎ＋２を「Ｈ」とする。これにより、画素３０１（ｉ，ｎ−２）、３０１（ｉ，ｎ）、３０１（ｉ，ｎ＋２）の加算において、中心に位置する画素３０１（ｉ，ｎ）の信号に重み付けされた混合出力が可能となる。

時刻ｔ２８からｔ２９の期間では、信号φＴＸｎ−２、φＴＸｎ、φＴＸｎ＋２が「Ｈ」とされ、各転送スイッチ１２ｎ−２、１２ｎ、１２ｎ＋２がＯＮする。これにより、被写体像の撮影によってＰＤ１１ｎ−２、１１ｎ、１１ｎ＋２に蓄積された信号電荷が各ＦＤ１６ｎ−２、１６ｎ、１６ｎ＋２に転送される。この時、ｎ−２行目の画素３０１（ｉ，ｎ−２）ではＦＤ１６ｎ−２と同時にＦＤ１６ｎ−１に対しても蓄積され、ｎ＋２行目の画素３０１（ｉ，ｎ＋２）ではＦＤ１６ｎ＋２と同時にＦＤ１６ｎ＋１に対しても蓄積される。

ここで、ＰＤ１１ｎ−２、１１ｎ、１１ｎ＋２の信号電荷をＱｂ、Ｑｄ、Ｑｆとすると、各ＳＦ１４ｎ−２、１４ｎ、１４ｎ＋２のゲートに入力される信号電圧は、それぞれＱｂ／（２×Ｃｆ）、Ｑｄ／Ｃｆ、Ｑｆ／（２×Ｃｆ）となる。

なお、画素３０１（ｉ，ｎ−２）、３０１（ｉ，ｎ＋２）のＦＤ容量は、容量切替スイッチ３７ｎ−２、３７ｎ＋１をＯＮした際の寄生容量やＳＦ１４ｎ−１、１４ｎ＋１の寄生容量の変動など、様々な影響を受ける。よって補正回路１１０でかけるゲインは、上記寄生容量の影響を踏まえたゲイン設定を行うことが好適である。これらの駆動によって３行分の画素３０１の出力信号混合が行われる。同様にして、Ｇｂ画素の出力信号混合が行われる。

また、第３の実施形態の画素の回路構成では、容量切替スイッチ３７を複数画素に亘って利用することで複数のＦＤ１６と接続可能であり、様々な重み付け比率を作り出すことが可能である。例えば、ｎ−２行目のＦＤ１６ｎ−２に対してＦＤ１６ｎ−３、１６ｎ−１の２つを接続し、ｎ＋２行目のＦＤ１６ｎ＋２に対してＦＤ１６ｎ＋１、１６ｎ＋３の２つを接続する。この時、ＦＤ容量はｎ−２行目、ｎ行目、ｎ＋２行目でそれぞれ３×Ｃｆ、Ｃｆ、３×Ｃｆとなり、重み付け比率１：３：１が得られる。ここで、補正回路１１０でかけるゲインは１．８倍となる。

具体的な駆動については図１２を用いて後述するが、Ｒ−Ｇｂ列の容量切替スイッチ４７とＧｒ−Ｂ列の容量切替スイッチ４９は、それぞれ垂直走査回路１０９から供給される駆動信号φＡＤＤＲ、φＡＤＤＢによって駆動される。なお、第１の実施形態で図２を参照して説明した構成と同様の構成には、同じ参照番号を付して説明を省略する。以下の説明において、「ｎ行目の」及び／または「ｍ列目の」信号または構成を特定して説明する場合には、信号または構成を示す参照番号の後ろに添字ｎ及び・またはｍを付して説明する。例えば、「ｎ行目の信号φＴＸ」は、添字ｎを付して「信号φＴＸｎ」と記載する。同様に、「ｎ−１行目」には添字ｎ−１、「ｎ＋１行目」には添字ｎ＋１を付して記載する。また、「ｎ行目、ｍ列目の画素４０１」には、更に添字ｍを付して、「画素４０１（ｍ，ｎ）」と記載する。

この時、画素４０１（ｍ，ｎ）、４０１（ｍ＋１，ｎ）のＰＤ１１ｎから転送された信号電荷はＲ画素、Ｇｒ画素共に、それぞれ対応するＦＤ１６ｎに蓄積される。一方、画素４０１（ｍ，ｎ−２）のＰＤ１１ｎ−２から転送された信号電荷は、ＦＤ１６ｎ−２及び１６ｎ−１に、また、画素４０１（ｍ＋１，ｎ−２）のＰＤ１１ｎ−２から転送された信号電荷は、ＦＤ１６ｎ−３、１６ｎ−２、１６ｎ−１に蓄積される。同様に、画素４０１（ｍ，ｎ＋２）のＰＤ１１ｎ＋２から転送された信号電荷は、ＦＤ１６ｎ＋１及び１６ｎ＋２に、また、画素４０１（ｍ＋１，ｎ＋２）のＰＤ１１ｎ＋２から転送された信号電荷は、ＦＤ１６ｎ＋１、１６ｎ＋２、１６ｎ＋３に蓄積される。

時刻ｔ３４からｔ３５の期間では、上記信号電圧が垂直出力線３８で重み付け平均化され、補正回路１１０に出力される。Ｒ−Ｇｂ列の補正回路１１０において、通常読み出しモード時のＦＤ容量Ｃｆの出力レンジに揃えたい場合は、かけるゲインは１．５倍なので、Ｃｖ＝２／３×Ｃ０に設定する。一方、Ｇｒ−Ｂ列の補正回路１１０においては、かけるゲインは１．８倍なので、Ｃｖ＝５／９×Ｃ０に設定する。これらの駆動によって単位画素３行分の重み付け出力信号混合が行われ、次の行の加算読み出し行として、ｎ＝ｎ＋３となり、Ｇｂ−Ｂ行の加算読み出し駆動が行われる。

ズームアクチュエータ２１１は、不図示のカム筒を回動することで、第１レンズ群２１０ないし第２レンズ群２０３を光軸方向に進退駆動し、変倍操作を行う。絞りシャッタアクチュエータ２１２は、絞り兼用シャッタ２０２の開口径を制御して撮影光量を調節すると共に、静止画撮影時の露光時間制御を行う。フォーカスアクチュエータ２１４は、第３レンズ群２０５を光軸方向に進退駆動して焦点調節を行う。

Claims

複数の画素が２次元状に配列された画素部と、前記画素部の画素を行単位で選択し、該選択した行の画素から信号を出力させる走査手段とを有する撮像素子であって、
前記画素は、それぞれ、
入射光量に応じた信号電荷を発生する光電変換手段と、
電荷を保持する保持手段と、
前記画素が前記走査手段により選択された行に含まれる場合に、前記光電変換手段で発生した信号電荷を前記保持手段に転送する転送手段と、
前記保持手段に転送された信号電荷に応じた画素信号を出力する出力手段とを有し、
前記走査手段により複数行ずつ選択し、該選択した行の画素から出力される画素信号を列毎に混合して読み出す混合読み出しモードにおいて前記選択される複数行の内、予め決められた行を除く画素の保持手段の容量が、前記予め決められた行の画素の保持手段の容量より大きいことを特徴とする撮像素子。
前記予め決められた行を除く行の画素の保持手段を、前記予め決められた行の画素の保持手段よりも大きい容量の保持手段で構成したことを特徴とする請求項１に記載の撮像素子。
前記各画素の保持手段は、複数の電荷保持部と、該複数の電荷保持部の間の接続、非接続を切り替える切替手段とを有し、
前記混合読み出しモードにおいて、前記予め決められた行を除く行の画素の前記複数の電荷保持部を前記切替手段により接続することにより、前記保持手段の容量を大きくすることを特徴とする請求項１に記載の撮像素子。
前記各画素は、更に、隣接する行の画素の保持手段との接続、非接続を切り替える切替手段を有し、
前記混合読み出しモードにおいて、前記切替手段により、前記予め決められた行を除く行の画素の前記保持手段を、前記選択した複数行に隣接する行の画素の保持手段と接続することにより、前記保持手段の容量を大きくすることを特徴とする請求項１に記載の撮像素子。
前記切替手段により、隣接する列と異なる数の画素の保持手段に接続することを特徴とする請求項４に記載の撮像素子。
前記混合読み出しモードにおいて、予め決められた複数の列毎に、前記選択した行の画素から出力された信号を加算する加算手段を更に有し、
前記切替手段により、前記複数の列の内、予め決められた列に接続する保持手段の数よりも、前記予め決められた列を除く列に接続する保持手段の数を多くしたことを特徴とする請求項４に記載の撮像素子。
前記予め決められた列は、前記複数の列の内、中央の列であることを特徴とする請求項６に記載の撮像素子。
前記予め決められた行は、前記選択した複数行の内、中央の行であることを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載の撮像素子。
前記走査手段は、更に、１行ずつ画素を選択して、行毎に画素の信号を出力させる順次読み出しモードによる駆動を行い、該順次読み出しモードと前記混合読み出しモードのいずれかに切り替えて、前記画素部を駆動することを特徴とする請求項１乃至８のいずれか１項に記載の撮像素子。
前記混合読み出しモードにおいて得られる画素信号の出力レンジを、前記保持手段の容量に応じて補正する補正手段を更に有することを特徴とする請求項１乃至９のいずれか１項に記載の撮像素子。
前記画素部にベイヤー配列のカラーフィルタが配され、
前記混合読み出しモードにおいて、前記走査手段は、同色のカラーフィルタが配された画素の行を選択することを特徴とする請求項１乃至１０のいずれか１項に記載の撮像素子。
前記混合読み出しモードにおいて、前記保持手段の容量が、前記カラーフィルタの色ごとに異なることを特徴とする請求項１１に記載の撮像素子。
請求項１乃至１２のいずれか１項に記載の撮像素子と、
前記撮像素子から出力された画素信号を処理する処理手段と
を有することを特徴とする撮像装置。