JP2016019157A - 撮像装置及びその制御方法、プログラム、記憶媒体 - Google Patents

Abstract

【課題】分割画素を有する撮像素子を用いた撮像装置において、撮影モードによらず良好な画像品質を得る。
【解決手段】単位画素の夫々が、複数の光電変換部３０１と、複数の蓄積部３０７と、複数の光電変換部から蓄積部へと電荷を転送する複数の転送部３０３と、を有する撮像素子と、撮像素子の画素からの信号の出力を制御する制御部とを備える。制御部は、電荷の転送をオン状態からオフ状態に切り替える時間が第１の時間である第１の制御信号と、第１の時間よりも長い第２の時間である第２の制御信号とを出力可能である。複数の光電変換部のうちの少なくとも１つの光電変換部の電荷を蓄積部に転送させた後、別の光電変換部の電荷を蓄積部に転送させる。少なくとも１つの光電変換部の電荷に混合させる場合には、第２の制御信号を転送部に出力し、複数の光電変換部の全ての電荷を蓄積部に転送させて混合させる場合には、第１の制御信号を転送部に出力する。
【選択図】図３

Description

本発明は、撮像装置及びその制御方法に関するものである。

ＣＣＤ、ＣＭＯＳセンサ等の固体撮像素子で静止画像や動画像を撮像するデジタルカメラ等の撮像装置が存在する。これらの撮像装置に搭載される固体撮像素子の一例として、固体撮像素子を構成する複数の画素のうち、一部または全ての画素の光電変換部を複数に分割した分割画素構造が、特許文献１などにおいて提案されている。このような撮像素子の用途としては、分割された光電変換部のそれぞれから得られる出力信号を基に、瞳分割方式の焦点検出を行うことや、立体画像を生成することなどがあげられる。また、分割された光電変換部の出力を画素毎に加算することで、通常の撮像信号として使用することも可能である。

このような分割画素構造を有する撮像素子からの信号読み出しに関する技術として、特許文献２には、次のような技術が開示されている。即ち、先ず分割された光電変換部の一方からの信号を読み出し、続けて、リセットせずに他方の光電変換部からの信号を混合して読み出す。そして、後から読み出した分割された光電変換部の他方からの単独の信号は、混合信号から先に読み出した分割された光電変換部の一方からの信号を減算して求める。この技術によれば、分割された２つの光電変換部のリセットレベル信号を共通に使用できるので、リセットレベル信号の読み出しを１回分短縮することが可能となる。

また、画素からの信号読み出しに関する別の先行技術として、次のような技術が特許文献３で提案されている。画素内において、光電変換部から蓄積部へ電荷を転送する転送スイッチをオン状態からオフ状態するときに、オンレベルとオフレベルの間の値を所定時間保持する。この技術を用いることで、ＭＯＳトランジスタに起因した残像やランダムノイズの発生を抑制することが可能とされている。

特開２００３−２４４７１２号公報 特開２０１３−１０６１９４号公報 特開２００２−７７７３０号公報

しかしながら、前述のような分割画素構造を有する撮像素子を用いた撮像装置において、上記の先行技術のように、転送パルスの立下り時間を延ばす技術を導入する際には、以下のような問題があった。即ち、撮像装置によっては、焦点検出等を行うために分割された各光電変換部からの信号を取得する撮像モードと、信号を高速で読み出して高フレームレートを達成するために、混合信号のみを取得する撮像モードとを使い分ける場合がある。その際、分割された光電変換部の一方からの信号を読み出した後に混合信号を読み出す場合と、最初から混合信号を読み出す場合では、混合信号読み出し時に垂直出力線の動作点が所定の安定電位になるまでに要する時間が異なる問題が発生する。

その際、転送パルスの立下り時間を延ばすと、更に垂直出力線の動作点が安定するまでの時間が延びてしまうため、転送パルスの立下り時間を適切な時間に設定しないと、垂直出力線の電位が安定する前に信号読み出しが完了してしまう。それにより、基準レベルが画面内で変わってしまうダークシェーディング等の各種問題を発生させてしまうおそれがあった。

本発明は上述した課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、分割画素を有する撮像素子を用いた撮像装置において、撮影モードによらず良好な画像品質を得ることである。

本発明に係わる撮像装置は、複数の単位画素が行列状に配置された撮像素子であって、前記単位画素のそれぞれが、露光した光信号を電荷へと変換する複数の光電変換部と、該複数の光電変換部で発生した電荷を蓄積する蓄積部と、前記複数の光電変換部から前記蓄積部へと電荷を転送する複数の転送手段と、を有する撮像素子と、前記撮像素子の前記画素からの信号の出力を制御する制御手段とを備え、前記制御手段は、前記転送手段に、電荷の転送をオン状態からオフ状態に切り替える時間が第１の時間である第１の制御信号と、電荷の転送をオン状態からオフ状態に切り替える時間が前記第１の時間よりも長い第２の時間である第２の制御信号とを出力可能であり、前記転送手段に、前記複数の光電変換部のうちの少なくとも１つの光電変換部の電荷を前記蓄積部に転送させた後、別の光電変換部の電荷を前記蓄積部に転送させ、前記少なくとも１つの光電変換部の電荷に混合させる第１の駆動を行わせる場合には、前記第２の制御信号を前記転送手段に出力し、前記転送手段に、前記複数の光電変換部のうちの全ての光電変換部の電荷を前記蓄積部に転送させて混合させる第２の駆動を行わせる場合には、前記第１の制御信号を前記転送手段に出力することを特徴とする。

本発明によれば、光電変換部が複数に分割された画素構造を有する撮像素子を用いた撮像装置において、撮影モードによらず良好な画像品質を得ることが可能となる。

本発明の一実施形態に係る撮像装置の構成を示すブロック図。 本発明の一実施形態に係る撮像素子の画素配列を説明する配置図。 本発明の一実施形態に係る撮像素子の構成を説明する回路図。 本発明の一実施形態に係る撮像素子の第１の駆動を説明するタイミングチャート。 本発明の一実施形態に係る撮像素子の第２の駆動を説明するタイミングチャート。 本発明の一実施形態に係る撮像装置の動作を説明するフローチャート。

以下、本発明の一実施形態について、添付図面を参照して詳細に説明する。ただし、本実施形態において例示される構成部品の寸法、形状、それらの相対配置などは、本発明が適用される装置の構成や各種条件により適宜変更されるべきものであり、本発明がそれらの例示に限定されるものではない。

図１は、本発明の一実施形態に係る撮像装置の構成を示すブロック図である。図１において、光学系１０１は、レンズ及び絞りなどからなる。メカニカルシャッタ１０２は、撮像素子に入射する光を遮光する状態と入射する状態を切り替える。撮像素子１０３は、入射光を電気信号に変換する。アナログ信号処理回路１０４は、撮像素子１０３から出力される画像信号に対してアナログ信号処理を行う。タイミング信号発生回路１０５は、撮像素子１０３およびアナログ信号処理回路１０４を動作させる信号を出力する（出力可能）。駆動回路１０６は、光学系１０１、メカニカルシャッタ１０２を駆動する。デジタル信号処理回路１０７は、撮影した画像データに必要なデジタル信号処理を行う。

また、画像メモリ１０８は、デジタル信号処理回路１０７において信号処理された画像データを記憶する。画像記録媒体１０９は、撮像装置から取り外し可能な記録媒体である。記録回路１１０は、デジタル信号処理回路１０７において信号処理された画像データを画像記録媒体１０９に記録する回路である。画像表示装置１１１は、デジタル信号処理回路１０７において信号処理された画像データを表示する。表示回路１１２は、画像表示装置１１１に画像データを表示する回路である。

また、システム制御部１１３は、撮像装置全体を制御する。不揮発性メモリ（ＲＯＭ）１１４は、システム制御部１１３で実行される制御方法を記載したプログラム、プログラムを実行する際に使用されるパラメータやテーブル等の制御データ、および、各種画像補正データを記憶しておく。揮発性メモリ（ＲＡＭ）１１５は、ＲＯＭ１１４に記憶されたプログラム、制御データおよび補正データを転送して記憶しておき、システム制御部１１３が撮像装置を制御する際に使用する。撮影モード設定部１１６は、ＩＳＯ感度設定などの撮影条件設定や、静止画撮影と動画撮影の切り替えなどを行う。

以下、上述のように構成された撮像装置における撮影動作について説明する。撮影動作に先立ち、撮像装置の電源投入時等のシステム制御部１１３の動作開始時において、不揮発性メモリ１１４から必要なプログラム、制御データおよび補正データを揮発性メモリ１１５に転送して記憶しておく。また、これらのプログラムやデータは、システム制御部１１３が撮像装置を制御する際に使用する。また、必要に応じて、追加のプログラムやデータを不揮発性メモリ（ＲＯＭ）１１４から揮発性メモリ（ＲＡＭ）１１５に転送したり、システム制御部１１３が直接不揮発性メモリ１１４内のデータを読み出して使用したりするものとする。

まず、システム制御部１１３が制御信号を出力し、レンズ等の光学系１０１を駆動して、適切な明るさになるように制御された被写体像を撮像素子１０３上に結像させる。次に、メカニカルシャッタ１０２は、静止画像撮影時においては、システム制御部１１３からの制御信号により、必要な露光時間となるように撮像素子１０３の動作に合わせて撮像素子１０３を遮光するように駆動される。ここで、撮像素子１０３が電子シャッタ機能を有する場合は、メカニカルシャッタ１０２と併用して、必要な露光時間を確保してもよい。また、メカニカルシャッタ１０２は、動画像撮影時及びライブビュー駆動時においては、システム制御部１１３からの制御信号により、撮影中は常に撮像素子１０３が露光されているように、開放状態で維持される。

撮像素子１０３は、システム制御部１１３により制御されるタイミング信号発生回路１０５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する。そして、入射光量に応じて設定された増幅率のゲインを電気信号にかけ、アナログ画像信号として出力する。

撮像素子１０３から出力されたアナログの画像信号は、システム制御部１１３により制御されるタイミング信号発生回路１０５が発生する動作パルスにより、アナログ信号処理回路１０４の内部において、入射光量に応じて設定された増幅率のゲインをかけられる。そして、オプティカルブラック領域の信号出力を基準電圧としてクランプされ、デジタル画像信号に変換される。

次に、デジタル信号処理回路１０７は、システム制御部１１３の制御により、アナログ信号処理回路１０４から出力されたデジタル画像信号に対して、色変換、ホワイトバランス、ガンマ補正等の画像処理、解像度変換処理、画像圧縮処理等を行う。

画像メモリ１０８は、信号処理中のデジタル画像信号を一時的に記憶したり、信号処理された画像データを記憶したりするために用いられる。デジタル信号処理回路１０７で信号処理された画像データや画像メモリ１０８に記憶されている画像データは、記録回路１１０において画像記録媒体１０９に適したデータ（例えば階層構造を持つファイルシステムデータ）に変換される。そして、画像記録媒体１０９に記録されたり、デジタル信号処理回路１０７で解像度変換処理を実施された後、表示回路１２１において画像表示装置１１１に適した信号（例えばＮＴＳＣ方式のアナログ信号等）に変換されて画像表示装置１１１に表示されたりする。

ここで、デジタル信号処理回路１０７においては、システム制御部１１３からの制御信号により、信号処理を施さないデジタル画像信号をそのまま画像データとして、画像メモリ１０８や記録回路１１０に出力してもよい。また、デジタル信号処理回路１０７は、システム制御部１１３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、それらから抽出された情報をシステム制御部１１３に出力する。それらの情報は、例えば、画像の空間周波数、指定領域の平均値、圧縮画像のデータ量等の情報である。あるいは、さらに、記録回路１１０は、システム制御部１１３から要求があった場合に、画像記録媒体１０９の種類や空き容量等の情報をシステム制御部１１３に出力する。

さらに、画像記録媒体１０９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１１３からの制御信号により記録回路１１０は、画像記録媒体１０９から画像データを読み出す。同じくシステム制御部１１３からの制御信号によりデジタル信号処理回路１０７は、画像データが圧縮画像であった場合には、画像伸長処理を行い、画像メモリ１０８に記憶する。画像メモリ１０８に記憶されている画像データは、デジタル信号処理回路１０７で解像度変換処理を実施された後、表示回路１１２において画像表示装置１１１に適した信号に変換されて画像表示装置１１１に表示される。

図２は、本実施形態における撮像素子１０３の画素配列を説明する配置図である。図２において、撮像素子１０３には、複数の単位画素が行列状に配置されている。撮像素子１０３における各単位画素（０，０）、（１，０）、（０，１）等には、１つのマイクロレンズが配置されている。また、各単位画素には、１つのマイクロレンズを共有する２つの光電変換部ａ，ｂが配置される。以下、本実施形態においては、各画素を構成する２つの光電変換部ａ，ｂの出力信号を撮像素子１０３内で混合した出力信号を、混合出力信号と呼ぶ。また、本実施形態においては、撮像素子１０３内で加算されずに出力された、光電変換部それぞれの出力信号を、分割出力信号と呼ぶ。そして、分割出力信号を焦点検出や立体画像生成等に使用する場合には、光電変換部ａからの分割出力信号と光電変換部ｂからの分割出力信号の２つの信号を利用する。

また、図２を参照して説明する本実施形態においては、各単位画素は、２×１に配列された２つの光電変換部で構成されており、同一記号の光電変換部ａ，ｂは、マイクロレンズとの位置関係において、それぞれ対応する位置にあることを示している。また、画素毎に記された「Ｒ」、「Ｇ」、「Ｂ」の文字は、各画素上に形成されるカラーフィルタの色相を表す。

図３は、本実施形態における撮像素子１０３の一例として、ＣＭＯＳ撮像素子を説明する回路図である。図３に示すように、各単位画素は、２つの光電変換部３０１ａ，３０１ｂと、１つの画素共通部３０８により構成されている。

光電変換部３０１ａは、光電変換素子であるフォトダイオード３０２ａと、フォトダイオード３０２ａの光電変換によって生成された電荷をパルスＰＴＸａによって画素共通部３０８に転送する転送スイッチ３０３ａとを備えている。なお、他の光電変換部３０１ｂも光電変換部３０１ａと同様の構成を有する。

画素共通部３０８は、光電変換部３０１ａ，３０１ｂそれぞれの各転送スイッチ３０３ａ，３０３ｂによって転送された電荷を蓄積する蓄積部であるＦＤ（フローティングディフュージョン）部３０７を含む。即ち、２つの光電変換部３０１ａ，３０１ｂに対し、１つのＦＤ部３０７が接続された構成を有する。そして、フォトダイオード３０２ａ，３０２ｂで光電変換された電荷は、転送スイッチ３０３ａ，３０３ｂを制御することによって、いずれもＦＤ部３０７に転送される。また、画素共通部３０８は、ＦＤ部３０７に蓄積された電荷をソースフォロワとして増幅するＭＯＳトランジスタ３０６と、不図示の垂直走査回路により読み出す行を選択するための選択パルスＰＳＥＬにより制御される行選択スイッチ３０５とを含む。さらに、画素共通部３０８は、ＭＯＳトランジスタ３０６のゲートと接続されたＦＤ部３０７をリセットパルスＰＲＥＳによって電位ＳＶＤＤのレベルにリセットするリセットスイッチ３０４を含む。

なお、図３において、垂直出力線３２２より後段にある転送ゲート３２４，３２５，３３３，３３５，３３６，３３７、転送容量３２６，３２７，３３４，３３８，３３９は、各列毎に設けられている。また、転送ゲート３２８，３２９より後段の構成は、複数列毎にまとめられ、撮像素子１０３の出力端子の数と同数となっている。

図４は、本実施形態における第１の読み出し駆動を示すタイミングチャートである。図４を参照して説明する第１の読み出し駆動は、図２において説明した光電変換部ａの分割出力信号と、光電変換部ａからの分割出力信号と光電変換部ｂからの分割出力信号を混合した混合出力信号を、連続で読み出すものである。この第１の読み出し方法による信号読み出しを行う場合には、出力信号をデジタル信号処理回路１１３において焦点検出用信号へと加工して利用することが可能となる。以下、図３及び図４を参照して、第１の読み出し駆動について説明する。

まず、期間ＨＢＬＫ１ａ、ＨＢＬＫ２ａ及びＨＳＲａに、光電変換部３０１ａの分割出力信号の読み出しを行う。１水平走査期間の開始を示す水平同期信号ＨＤの立下りに伴い、不図示の回路により垂直出力線３２２は定電位にリセットされる。その後、リセットパルス信号ＰＲＥＳをハイ（Ｈ）レベルにしてリセットスイッチ３０４をＯＮすることにより、期間Ｔ１にＭＯＳトランジスタ３０６のゲートに設けられたＦＤ部３０７の容量に蓄積された電荷が定電位ＳＶＤＤになるようにリセットされる。

この期間Ｔ１に内包される期間Ｔ２に、転送パルス信号ＰＴＸａ，ＰＴＸｂをハイレベルにする。そして、転送スイッチ３０３ａ及び転送スイッチ３０３ｂがＯＮ（オン状態）になり、フォトダイオード３０２ａ及びフォトダイオード３０２ｂに蓄積されていた光電荷がＦＤ部３０７に転送される。この時、ＦＤ部３０７はリセットされた状態であるため、フォトダイオード３０２ａ，３０２ｂもリセットされた状態となる。

続いてリセットパルス信号ＰＲＥＳをロー（Ｌ）レベルとし、ＭＯＳトランジスタ３０４をＯＦＦとした後、選択パルス信号ＰＳＥＬをハイレベルにすることで、行選択スイッチ３０５と負荷電流源３２１で構成されたソースフォロワ回路が動作状態になる。これにより、垂直出力線３２２上にＭＯＳトランジスタ３０６のフローティングゲートであるＦＤ部３０７のリセット電位に応じたノイズ信号が出力される。選択パルス信号ＰＳＥＬがハイレベルの期間に転送パルス信号ＰＴＮ１をハイレベルにすることで転送ゲート３２４がＯＮし、転送容量ＣＴＮ１（３２６）にノイズ成分の信号が保持される。

続いて、光電変換素子であるフォトダイオード３０２ａで発生した光電荷とノイズ成分の混合信号の読み出しが行われる。まず、垂直出力線３２２は、不図示の回路により、定電位にリセットされる。その後、期間Ｔ３ａの間に転送パルス信号ＰＴＸａ信号をハイレベルにして、転送スイッチ３０３ａがＯＮになり、フォトダイオード３０２ａに蓄積された光電荷がＦＤ部３０７に転送される。その際、選択パルス信号ＰＳＥＬはハイレベルのままであるため、ソースフォロワ回路が動作状態となり、垂直出力線３２２上にＭＯＳトランジスタ３０６のフローティングゲートであるＦＤ部３０７の電位に応じた「光電荷成分＋ノイズ成分」が出力される。この期間Ｔ３ａを内包する期間Ｔ４ａの間に、転送パルス信号ＰＴＳ１ａをハイレベルにすることで転送ゲート３２５がＯＮする。これにより、転送容量ＣＴＳ１ａ（３２７）にフォトダイオード３０２ａで発生した「光電荷成分＋ノイズ成分」の信号が保持される。

なお、本実施形態における第１の読み出し駆動においては、転送パルス信号ＰＴＸａ及び後に述べる転送パルス信号ＰＴＸｂは、時間をかけて緩やかに立ち下がる駆動（オフ状態とする駆動）を行う。これは、残像やランダムノイズの発生を抑制するために行われるものである。

次に、期間ＨＢＬＫ２ａの間に転送容量ＣＴＮ３２６，ＣＴＳ１ａ（３２７）に蓄積された２つの信号を、不図示の水平シフトレジスタにより制御される転送パルス信号ＰＴＮ２、転送パルス信号ＰＴＳ２ａによってそれぞれ容量ＣＴＮ２（３３８），ＣＨＳ２（３３９）に転送する。

次に、期間ＨＳＲａの間に、転送容量ＣＴＮ２（３３８），ＣＨＳ２（３３９）に蓄積された２つの信号を、不図示の水平シフトレジスタにより制御される制御パルス信号ＰＨＮ，ＰＨＳによって、それぞれ容量ＣＨＮ３３０，ＣＨＳ３３１に転送する。そして容量ＣＨＮ３３０，ＣＨＳ３３１に蓄積されたノイズ成分と光電荷成分＋ノイズ成分は、差動アンプ３３２によって、（光電荷成分＋ノイズ成分）−ノイズ成分の差分処理が行われ、光電荷成分に相当する光信号が分割出力信号として出力される。

また、期間ＨＢＬＫ２ａ及び期間ＨＳＲａと時を同じくして、期間ＨＢＬＫ１ａｂに、転送パルス信号ＰＴＸａ，ＰＴＸｂ、リセットパルス信号ＰＲＥＳ、選択パルス信号ＰＳＥＬを制御し、光電変換部３０１ａと光電変換部３０１ｂの信号を混合した混合出力信号の読み出しを行う。

まず、光電変換素子であるフォトダイオード３０２ａ，３０２ｂで発生した光電荷とノイズ成分の混合信号の読み出しが行われる。まず、垂直出力線３２２は、不図示の回路により、定電位にリセットされる。その後、期間Ｔ３ａｂの間に転送パルス信号ＰＴＸａ，ＰＴＸｂをハイレベルにして、転送スイッチ３０３ａ及び３０３ｂがＯＮになり、フォトダイオード３０２ａ，３０２ｂに蓄積された光電荷がＦＤ部３０７に転送される。その際、選択パルス信号ＰＳＥＬはハイレベルのままであるためソースフォロワ回路が動作状態となり、垂直出力線３２２上にＭＯＳトランジスタ３０６のフローティングゲートであるＦＤ部３０７の電位に応じた「光電荷成分＋ノイズ成分」が出力される。この期間Ｔ３ａｂを内包する期間Ｔ４ａｂの間に、信号出力パルス信号ＰＴＳ１ａｂをハイレベルにすることで転送ゲート３３３がＯＮする。これにより、転送容量ＣＴＳ１ａｂ（３３４）にフォトダイオード３０２ａ及びフォトダイオード３０２ｂで発生した「光電荷成分＋ノイズ成分」の信号が保持される。

次に、期間ＨＢＬＫ２ａｂの間に、転送容量ＣＴＮ３２６，ＣＴＳ１ａｂ（３３４）に蓄積された２つの信号を、不図示の水平シフトレジスタにより制御される転送パルス信号ＰＴＮ２，ＰＴＳ２ａｂによってそれぞれ容量ＣＴＮ２（３３８），ＣＴＳ２（３３９）に転送する。

次に、期間ＨＳＲａｂの間に、転送容量ＣＴＮ２（３３８），ＣＨＳ２（３３９）に蓄積された２つの信号を、不図示の水平シフトレジスタにより制御される制御パルス信号ＰＨＮ，ＰＨＳによって、それぞれ容量ＣＨＮ３３０，ＣＨＳ３３１に転送する。そして容量ＣＨＮ３３０，ＣＨＳ３３１に蓄積されたノイズ成分と光電荷成分＋ノイズ成分は、差動アンプ３３２によって、（光電荷成分＋ノイズ成分）−ノイズ成分の差分処理が行われ、光電荷成分に相当する光信号が混合出力信号として出力される。

以上により、２×１に並ぶ２つの光電変換部の、光電変換部３０１ａからの分割出力信号及び、光電変換部３０１ａからの分割出力信号と光電変換部３０１ｂからの分割出力信号を混合した混合出力信号の読み出しを完了する。

続いて図４を参照して、本実施形態における第１の読み出し駆動における、ＦＤ部３０７及び垂直出力線３２２の電位の推移について説明する。なお、図４を参照して以下に記す説明は、説明を簡単にするために、光電変換部であるフォトダイオード３０１ａ，３０１ｂに光が入射していないダーク状態での各部の電位の推移を説明する。

リセットパルス信号ＰＲＥＳが立ち下がる時刻ｔ４０１に、ＦＤ部３０７の電位は、所定レベルだけ振り下げられる。これは、ＦＤ部３０７がＭＯＳトランジスタ３０４のゲートとカップリングしているため、リセットパルス信号ＰＲＥＳの変動に従って発生するものである。このＦＤ部３０７の電位振り下げに従って、同じく時刻ｔ４０１に、垂直出力線３２２の電位も同様に降下する。但し、ＦＤ部３０７の電位降下と比べ、垂直出力線３２２の電位は緩やかに降下する。これは、垂直出力線３２２が有する抵抗成分や容量成分がＦＤ部３０７よりも大きいことにより、変動の速度が遅くなるためである。

その後、転送パルス信号ＰＴＸａが立ち上がる時刻ｔ４０２に、ＦＤ部３０７の電位は、所定レベルだけ振り上げられる。これは、ＦＤ部３０７がＭＯＳトランジスタ３０３ａのゲートとカップリングしているため、転送パルス信号ＰＴＸａの変動に従って発生するものである。ところで、図４の駆動タイミングにおいては、時刻ｔ４０２の時点で、垂直出力線３２２の電位は、定常状態まで下がり切っていないものとしている。当然、時刻ｔ４０１から時刻ｔ４０２までの時間を延ばせば、時刻ｔ４０２の時点で垂直出力線３２２の電位を定常状態まで下げることも可能であるが、所定のフレームレートを実現するためなどで、下がり切らない状態で信号読み出しを継続することもあり得る。その状態で時刻ｔ４０２に、ＦＤ部３０７の電位振り上げに従って、垂直出力線３２２の電位も同様に上昇する。

続いて、転送パルス信号ＰＴＸａが立ち下がる時刻ｔ４０３に、ＦＤ部３０７の電位は、所定レベルだけ振り下げられる。この際、本実施形態における第１の読み出し駆動においては、転送パルス信号ＰＴＸａは時間をかけて緩やかに立ち下がる駆動を行うため、ＦＤ部３０７の電位も緩やかに降下する。このＦＤ部３０７の電位降下に従って、同じく時刻ｔ４０３に垂直出力線３２２の電位も降下し始めるが、ＦＤ部３０７の電位が緩やかに降下するために、垂直出力線３２２の電位は、転送パルス信号ＰＴＸａが急峻に立ち下がる場合と比べて、更に緩やかに降下する。図４における点線が転送パルス信号ＰＴＸａを急峻に立ち下げる場合、実線が転送パルス信号ＰＴＸａを緩やかに立ち下げる場合の、垂直出力線３２２の電位の推移を示している。

時刻ｔ４０４に転送パルス信号ＰＴＳ１ａ信号をローレベルとすることで、転送容量ＣＴＳ１ａ（３２７）に保持される分割出力信号の信号値が確定する。この際、実線で記した転送パルス信号ＰＴＸａを緩やかに立ち下げる場合には、垂直出力線３２２の電位は、定常状態まで下がり切っていない。しかし、本実施形態における第１の読み出し駆動においては、本読み出しが混合出力信号の読み出しではなく、光電変換部ａからの分割出力信号の読み出しであることを考慮し、残像やランダムノイズの発生を抑制することを優先して、転送パルス信号ＰＴＸａを緩やかに立ち下げることとしている。

その後、時刻ｔ４０５に転送パルス信号ＰＴＸａ，ＰＴＸｂをハイレベルとし、時刻ｔ４０６に、転送パルス信号ＰＴＸａ，ＰＴＸｂを、緩やかにローレベルにする。これに連動して、ＦＤ部３０７及び垂直出力線３２２の電位も上下する。時刻ｔ４０６より垂直出力線３２２の電位が降下する際、時刻ｔ４０３からの電位降下と同様に、垂直出力線３２２の電位は緩やかに降下する。しかし、時刻ｔ４０５の時点で垂直出力線３２２の電位は、定常状態まで下がり切っており、時刻ｔ４０６の時点の垂直出力線の電位と定常状態との差は小さくなっている。そのため、垂直出力線３２２の電位が緩やかに降下しても、転送容量ＣＴＳ１ａｂ（３３４）に保持される混合出力信号の信号値が確定する時刻ｔ４０７には、垂直出力線３２２の電位は定常状態まで下がっており、問題は発生しない。

図５は、本実施形態における第２の読み出し駆動を示すタイミングチャートである。図５を参照して説明する第２の読み出し駆動は、図２において説明した光電変換部ａからの分割出力信号と光電変換部ｂからの分割出力信号を混合した混合出力信号を、一括で読み出すものである。この第２の読み出し駆動による信号読み出しを行うと、通常撮像時など、個々の分割画素の出力信号が不要な場合などに、高速に読み出すことが可能となる。以下、図３及び図５を参照して、第２の読み出し駆動について説明する。

図５において、選択パルス信号ＰＳＥＬがハイレベルの期間に転送パルス信号ＰＴＮ１をハイレベルにすることで、蓄積容量ＣＴＮ３２６にノイズ成分の信号を保持するようにするところまでは、図４を用いて説明した、第１の読み出し駆動と同じである。

続いて行われるのは、光電変換素子であるフォトダイオードで発生した光電荷とノイズ成分の混合信号の読み出しである。まず、垂直出力線３２２は、不図示の回路により、定電位にリセットされる。その後、期間Ｔ３ａｂの間に転送パルス信号ＰＴＸａ、ＰＴＸｂ信号を同時にハイレベルにして、転送スイッチ３０３ａ，３０３ｂがＯＮになり、フォトダイオード３０２ａ，３０２ｂに蓄積された光電荷がＦＤ部３０７に転送される。その際、選択パルス信号ＰＳＥＬはハイレベルのままであるため、ソースフォロワ回路が動作状態となり、垂直出力線３２２上にＭＯＳトランジスタ３０６のフローティングゲートであるＦＤ部３０７の電位に応じた「光電荷成分＋ノイズ成分」が出力される。この期間Ｔ３ａｂを内包する期間Ｔ４ａｂの間に、転送パルス信号ＰＴＳ１ａｂをハイレベルにすることで転送ゲート３３３がＯＮし、蓄積容量ＣＴＳ１ａｂ（３３４）にフォトダイオード３０２ａ及びフォトダイオード３０２ｂで発生した「光電荷成分＋ノイズ成分」の信号が保持される。

なお、本実施形態における第２の読み出し駆動においては、転送パルス信号ＰＴＸａ，ＰＴＸｂ信号は、時間をかけず比較的急峻に立ち下がる駆動を行うこととする。上述のように、ノイズ成分と、フォトダイオードで発生した光電荷成分＋ノイズ成分が、それぞれ容量ＣＴＮ３２６，ＣＴＳ１ａｂ（３３４）に蓄積される。

次に、期間ＨＢＬＫ２ａｂの間に、転送容量ＣＴＮ３２６，ＣＴＳ１ａｂ（３３４）に蓄積された２つの信号を、不図示の水平シフトレジスタにより制御される転送パルス信号ＰＴＮ２，ＰＴＳ２ａｂによってそれぞれ容量ＣＴＮ２（３３８），ＣＴＳ２（３３９）に転送する。

次に、期間ＨＳＲａｂの間に、これら２つの信号を、不図示の水平シフトレジスタにより制御される制御パルス信号ＰＨＳ，ＰＨＮによって、それぞれ容量ＣＨＮ３３０，ＣＨＳ３３１に転送する。そして容量ＣＨＮ３３０，ＣＨＳ３３１に蓄積されたノイズ成分と光電荷成分＋ノイズ成分は、差動アンプ３３２によって、（光電荷成分＋ノイズ成分）−ノイズ成分、すなわち光電荷成分に相当する光信号となって出力される。

続いて図５を参照して、本実施形態における第２の読み出し駆動における、ＦＤ部３０７及び垂直出力線３２２の電位の推移について説明する。なお、図５を参照して以下に記す説明は、図４を参照して説明した第１の読み出し駆動の説明と同様に、光電変換部であるフォトダイオード３０１ａ，３０１ｂに光が入射していないダーク状態での各部の電位の推移を説明している。

リセットパルス信号ＰＲＥＳが立ち下がる時刻ｔ５０１に、ＦＤ部３０７の電位は、所定レベルだけ振り下げられる。このＦＤ部３０７の電位振り下げに従って、同じく時刻ｔ５０１に、垂直出力線３２２の電位も同様に降下する。但し、ＦＤ部３０７の電位降下と比べ、垂直出力線３２２の電位は緩やかに降下する。

その後、転送パルス信号ＰＴＸａ，ＰＴＸｂが立ち上がる時刻ｔ５０２に、ＦＤ部３０７の電位は、所定レベルだけ振り上げられる。その状態で時刻ｔ５０２に、ＦＤ部３０７の電位振り上げに従って、垂直出力線３２２の電位も同様に上昇する。

続けて、転送パルス信号ＰＴＸａ，ＰＴＸｂ信号が立ち下がる時刻ｔ５０３に、ＦＤ部３０７の電位は、所定レベルだけ振り下げられる。この際、本実施形態における第２の駆動タイミングにおいては、転送パルス信号ＰＴＸａ，ＰＴＸｂは急峻に立ち下がる駆動を行う。そのため、ＦＤ部３０７の電位も第１の読み出し駆動で説明した、転送パルス新語ＰＴＸａ，ＰＴＸｂが緩やかに立ち下がる駆動を行う場合と比べると比較的急峻に降下する。このＦＤ部３０７の電位降下に従って、同じく時刻ｔ４０３に、垂直出力線３２２の電位も同様に降下しはじめる。しかし、ＦＤ部３０７の電位が比較的急峻に降下するために、垂直出力線３２２の電位も同じく、第１の読み出し駆動で説明した、転送パルス信号ＰＴＸａ，ＰＴＸｂが緩やかに立ち下がる駆動を行う場合と比べると比較的急峻に降下する。図５における点線が転送パルス信号ＰＴＸａ，ＰＴＸｂを緩やかに立ち下げる場合、実線が転送パルス信号ＰＴＸａ，ＰＴＸｂを急峻に立ち下げる場合の、垂直出力線３２２の電位の推移を示している。

時刻ｔ５０４に転送パルス信号ＰＴＳ１ａｂをローレベルとすることで、転送容量ＣＴＳ１ａｂ３３４に保持される混合出力信号の信号値が確定する。この際、実線で記した転送パルス信号ＰＴＸａ，ＰＴＸｂを急峻に立ち下げる場合には、垂直出力線３２２の電位は、定常状態まで下がっているため、問題は発生しない。この際、転送パルス信号ＰＴＸａ，ＰＴＸｂを緩やかに立ち下げることで得られる、残像やランダムノイズの発生を抑制する効果は得られないが、垂直出力線の電位を安定させることで得られる、水平ダークシェーディング等の問題発生の抑制を優先させる。

図６は、本実施形態における各モード毎の転送パルス設定制御の一例を説明するフローチャートである。図６において、まず、静止画撮影、動画撮影、立体画像撮影、焦点検出用撮影等のモード設定が撮影モード設定部１１６等によってなされ（Ｓ６０１）、そのモードに応じて、感度、絞り値、露光時間などの撮影条件が初期設定される（Ｓ６０２）。

次に、ステップＳ６０１において設定された撮影モードを判定する。そして、判定したモードが図４を参照して説明した第１の読み出し駆動により分割出力信号を個別に読み出すモードであるか、または、図５を参照して説明した第２の読み出し駆動により画素信号を読み出すモードであるかを判定する（Ｓ６０３）。具体的には、立体画像撮影、焦点検出用撮影等のモードは、第１の読み出し駆動により分割出力信号を個別に読み出すモードであり、通常の静止画撮影、動画撮影等のモードが、第２の読み出し駆動により画素信号を読み出すモードである。

設定されている撮影モードが立体画像撮影や焦点検出用などの、光電変換部を個別に読み出すモードであった場合は、転送パルス信号ＰＴＸの立下りエッジの鈍化を有効とする（Ｓ６０４）。一方、設定されている撮影モードが通常の静止画もしくは動画撮影などの、画素信号を読み出すモードであった場合には、転送パルス信号ＰＴＸの立下りエッジの鈍化を無効とする（Ｓ６０５）。

続けて、シャッタ１０２を制御し、撮像素子１０３の露光を行うことで、撮影を行う（Ｓ６０６）。最後に、画像信号を画像メモリ１０８、記録回路１１０、もしくは表示回路１１２に出力し（Ｓ６０７）、本撮影を終了する。

上記の通り本実施形態によれば、分割画素からの信号を読み出した後に加算信号を読み出す駆動モードと、加算信号のみを読み出すモードの双方において、良好な画像信号が得られるような撮像装置を実現している。

以上、図１〜図６を用いて本発明の一実施形態に係る撮像装置について説明してきたが、本発明はこれに限定されることはなく、様々な形態をとることが可能である。

例えば、図２や図３を用いて説明した一実施形態の画素構成においては、説明をわかりやすくするために、各画素の光電変換部を左右の２分割の構成とした。しかしながら、本発明はこれに限定されるものではなく、上下の２分割としてもよいし、２×２の４光電変換部による構成など、より多くの光電変換部に分割された構成でもよい。

また、図４、図５、図６を用いて説明した一実施形態の撮像装置の駆動においては、分割出力信号を個別に読み出すモードの第１の駆動タイミングと、画素信号を一括で読み出すモードの第２の駆動タイミングで、転送パルス信号ＰＴＸａ，ＰＴＸｂの立下りエッジ鈍化の有効無効を切り替える構成として説明した。しかし、本発明はこれに限定されるものではない。転送パルス信号ＰＴＸａ，ＰＴＸｂは、リセットパルス信号ＰＲＥＳや選択パルス信号ＰＳＥＬなどの他の駆動信号よりも、立下りエッジが緩やかであり、その緩やかさの程度が第１の読み出し駆動と第２の読み出し駆動で異なるような構成でも構わない。この場合、第１の読み出し駆動の転送パルス信号ＰＴＸａ，ＰＴＸｂの方が、第２の読み出し駆動の転送パルスＰＴＸａ，ＰＴＸｂよりも緩やかとなるような構成となる。

（その他の実施形態）
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、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。

１０１：光学系、１０３：撮像素子、１０４：アナログ信号処理回路、１０５：タイミング信号発生回路、１０７：デジタル信号処理回路、１１３:システム制御部

Claims (10)

1. 複数の単位画素が行列状に配置された撮像素子であって、前記単位画素のそれぞれが、露光した光信号を電荷へと変換する複数の光電変換部と、該複数の光電変換部で発生した電荷を蓄積する蓄積部と、前記複数の光電変換部から前記蓄積部へと電荷を転送する複数の転送手段と、を有する撮像素子と、
   前記撮像素子の前記画素からの信号の出力を制御する制御手段とを備え、
   前記制御手段は、
   前記転送手段に、電荷の転送をオン状態からオフ状態に切り替える時間が第１の時間である第１の制御信号と、電荷の転送をオン状態からオフ状態に切り替える時間が前記第１の時間よりも長い第２の時間である第２の制御信号とを出力可能であり、
   前記転送手段に、前記複数の光電変換部のうちの少なくとも１つの光電変換部の電荷を前記蓄積部に転送させた後、別の光電変換部の電荷を前記蓄積部に転送させ、前記少なくとも１つの光電変換部の電荷に混合させる第１の駆動を行わせる場合には、前記第２の制御信号を前記転送手段に出力し、
   前記転送手段に、前記複数の光電変換部のうちの全ての光電変換部の電荷を前記蓄積部に転送させて混合させる第２の駆動を行わせる場合には、前記第１の制御信号を前記転送手段に出力することを特徴とする撮像装置。
2. 前記第２の制御信号は、前記電荷の転送をオン状態とする第１のレベルと、前記電荷の転送をオフ状態とする第２のレベルと、前記第１のレベルと前記第２のレベルの間のレベルとを有することを特徴とする請求項１に記載の撮像装置。
3. 前記第２の制御信号は、前記電荷の転送をオフ状態からオン状態に切り替える時間よりも、前記電荷の転送をオン状態からオフ状態に切り替える時間の方が長くなるように設定されていることを特徴とする請求項１または２に記載の撮像装置。
4. それぞれの前記単位画素は１つのマイクロレンズを有し、前記単位画素に設けられた複数の光電変換部は前記１つのマイクロレンズを共有することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の撮像装置。
5. 複数の単位画素が行列状に配置された撮像素子であって、前記単位画素のそれぞれが、露光した光信号を電荷へと変換する複数の光電変換部と、該複数の光電変換部で発生した電荷を蓄積する蓄積部と、前記複数の光電変換部から前記蓄積部へと電荷を転送する複数の転送手段と、を有する撮像素子を有する撮像装置を制御する方法であって、
   前記撮像素子の前記画素からの信号の出力を制御する制御工程を有し、
   前記制御工程では、
   前記転送手段に、電荷の転送をオン状態からオフ状態に切り替える時間が第１の時間である第１の制御信号と、電荷の転送をオン状態からオフ状態に切り替える時間が前記第１の時間よりも長い第２の時間である第２の制御信号とを出力可能であり、
   前記転送手段に、前記複数の光電変換部のうちの少なくとも１つの光電変換部の電荷を前記蓄積部に転送させた後、別の光電変換部の電荷を前記蓄積部に転送させ、前記少なくとも１つの光電変換部の電荷に混合させる第１の駆動を行わせる場合には、前記第２の制御信号を前記転送手段に出力し、
   前記転送手段に、前記複数の光電変換部のうちの全ての光電変換部の電荷を前記蓄積部に転送させて混合させる第２の駆動を行わせる場合には、前記第１の制御信号を前記転送手段に出力することを特徴とする撮像装置の制御方法。
6. 前記第２の制御信号は、前記電荷の転送をオン状態とする第１のレベルと、前記電荷の転送をオフ状態とする第２のレベルと、前記第１のレベルと前記第２のレベルの間のレベルとを有することを特徴とする請求項５に記載の撮像装置の制御方法。
7. 前記第２の制御信号は、前記電荷の転送をオフ状態からオン状態に切り替える時間よりも、前記電荷の転送をオン状態からオフ状態に切り替える時間の方が長くなるように設定することを特徴とする請求項５または６に記載の撮像装置の制御方法。
8. それぞれの前記単位画素は１つのマイクロレンズを有し、前記単位画素に設けられた複数の光電変換部は前記１つのマイクロレンズを共有することを特徴とする請求項５乃至７のいずれか１項に記載の撮像装置の制御方法。
9. 請求項５乃至８のいずれか１項に記載の制御方法の各工程をコンピュータに実行させるためのプログラム。
10. 請求項５乃至８のいずれか１項に記載の制御方法の各工程をコンピュータに実行させるためのプログラムを記憶したコンピュータが読み取り可能な記憶媒体。

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