JP2017220884A - 撮像装置及び撮像システム - Google Patents

Abstract

【課題】偽信号の補正用信号を取得し得る撮像装置を提供する。【解決手段】入射光によって生じた電荷の蓄積を行う光電変換部と、電荷を保持する第１保持部及び第２保持部と、電荷に基づく信号を出力する増幅部と、光電変換部と第１保持部の間に設けられた第１転送スイッチと、光電変換部と第２保持部の間に設けられた第２転送スイッチと、第１保持部と増幅部の間に設けられた第３転送スイッチと、第２保持部と増幅部の間に設けられた第４転送スイッチと、を各々が有する複数の画素を有し、実信号電荷に基づく信号を含む信号と、偽信号電荷に基づく信号を含む信号とを出力する。【選択図】図２

Description

本発明は、撮像装置及び撮像システムに関する。

近年、ＣＭＯＳイメージセンサにおいて、グローバル電子シャッタが提案されている。例えば、特許文献１に記載された撮像装置は、グローバル電子シャッタを用いることによって、動きの速い被写体像の歪みを回避し得る。

特許文献１に記載された撮像装置は、各画素が複数の蓄積ダイオードを保持部として備える回路構成を有する。光電変換素子で生成された電荷は、複数の保持部の各々に転送され一時的に保持される。その後、複数の保持部に蓄積された電荷を順次、浮遊半導体領域に転送して読み出すことにより、複数の画像信号を取得可能である。

国際公開第２０１１／０９６３４０号

保持部を有する撮像装置において、保持部に保持される電荷には、暗電流、電荷のリーク成分、保持部自体での光電変換等によるノイズ成分である偽信号が重畳し得る。そのため、偽信号に起因して、取得される画像の画質が低下するおそれがある。偽信号の影響を低減するための補正を行うためには、偽信号の補正用信号が必要となる。

本発明は上述した課題に鑑みてなされたものであり、本発明の目的は、偽信号の補正用信号を取得し得る撮像装置を提供することにある。

本発明の一実施形態に係る撮像装置は、入射光によって生じた電荷の蓄積を行う光電変換部と、前記電荷を保持する第１保持部及び第２保持部と、前記電荷に基づく信号を出力する増幅部と、前記光電変換部と前記第１保持部の間に設けられた第１転送スイッチと、前記光電変換部と前記第２保持部の間に設けられた第２転送スイッチと、前記第１保持部と前記増幅部の間に設けられた第３転送スイッチと、前記第２保持部と前記増幅部の間に設けられた第４転送スイッチと、を各々が有する複数の画素を有し、前記第１転送スイッチは、オンに制御されることにより、１フレームの露光期間に前記光電変換部に蓄積された実信号電荷を前記光電変換部から前記第１保持部に転送し、前記第２転送スイッチは、前記第４転送スイッチがオフに制御されてから再びオンに制御されるまでの間、オフに維持されることにより、前記実信号電荷を前記光電変換部から前記第２保持部に転送せず、前記第３転送スイッチは、前記露光期間の後、オンに制御されることにより、前記第１保持部に転送された前記実信号電荷及び前記第１保持部に蓄積された第１の偽信号電荷を前記第１保持部から前記増幅部に転送し、前記第４転送スイッチは、オンに制御されることにより、前記第２保持部に蓄積された第２の偽信号電荷を前記第２保持部から前記増幅部に転送することを特徴とする。

本発明の他の一実施形態に係る撮像装置は、入射光によって生じた電荷の蓄積を行う光電変換部と、前記電荷を保持する第１保持部及び第２保持部と、前記電荷に基づく信号を出力する増幅部と、前記光電変換部と前記第１保持部の間に設けられた第１転送スイッチと、前記光電変換部と前記第２保持部の間に設けられた第２転送スイッチと、前記第１保持部と前記増幅部の間に設けられた第３転送スイッチと、前記第２保持部と前記増幅部の間に設けられた第４転送スイッチと、を各々が有する複数の画素を有し、前記第１転送スイッチは、オンに制御されることにより、１フレームの露光期間に前記光電変換部に蓄積された実信号電荷を前記光電変換部から前記第１保持部に転送し、前記第２転送スイッチは、前記光電変換部が前記電荷の蓄積を開始した後に、一時的にオンになり、前記第３転送スイッチは、前記露光期間の後、オンに制御されることにより、前記第１保持部に転送された実信号電荷及び前記第１保持部に蓄積された第１の偽信号電荷を前記光電変換部から前記増幅部に転送し、前記第４転送スイッチは、オンに制御されることにより、前記第２保持部に蓄積された第２の偽信号電荷を前記光電変換部から前記増幅部に転送することを特徴とする。

本発明の他の一実施形態に係る撮像装置は、入射光によって生じた電荷の蓄積を行う光電変換部と、前記電荷を保持する第１保持部及び第２保持部と、前記電荷に基づく信号を出力する増幅部と、前記光電変換部と前記第１保持部の間に設けられた第１転送スイッチと、前記光電変換部と前記第２保持部の間に設けられた第２転送スイッチと、前記第１保持部と前記増幅部の間に設けられた第３転送スイッチと、前記第２保持部と前記増幅部の間に設けられた第４転送スイッチと、を各々が有する複数の画素を有し、前記第１転送スイッチは、オンに制御されることにより、１フレームにおける第１露光期間に前記光電変換部に蓄積された第１の実信号電荷を前記光電変換部から前記第１保持部に転送し、前記第２転送スイッチは、オンに制御されることにより、前記１フレームにおける前記第１露光期間の後の第２露光期間に蓄積された第２の実信号電荷を前記光電変換部から前記第２保持部に転送し、前記第３転送スイッチは、前記第１露光期間の後、オンに制御されることにより、前記第１保持部に転送された前記第１の実信号電荷及び前記第１保持部に蓄積された第１の偽信号電荷を前記増幅部に転送し、前記第４転送スイッチは、前記第２露光期間の後、オンに制御されることにより、前記第２保持部に転送された前記第２の実信号電荷及び前記第２保持部に蓄積された第２の偽信号電荷を前記増幅部に転送することを特徴とする。

本発明の少なくとも１つの実施形態によれば、偽信号の補正用信号を取得し得る撮像装置を提供することができる。

本発明の第１実施形態に係る撮像装置の概略構成を表すブロック図である。 本発明の第１実施形態に係る撮像装置における画素の等価回路を表す図である。 本発明の第１実施形態に係る撮像装置の画素の断面構造を模式的に表す図である。 本発明の第１実施形態に係る撮像装置の動作を模式的に示す図である。 本発明の第１実施形態に係る撮像装置の制御信号のタイミングチャートである。 本発明の第１実施形態に係る撮像装置の画素のタイミングチャートである。 本発明の第２実施形態に係る撮像装置の動作を模式的に示す図である。 本発明の第２実施形態に係る撮像装置の制御信号のタイミングチャートである。 本発明の第３実施形態に係る撮像装置の動作を模式的に示す図である。 本発明の第３実施形態に係る撮像装置の制御信号のタイミングチャートである。 本発明の第４実施形態に係る撮像装置の制御信号のタイミングチャートである。 本発明の第５実施形態に係る撮像装置の動作を模式的に示す図である。 本発明の第５実施形態に係る撮像装置の制御信号のタイミングチャートである。 本発明の第７実施形態に係る撮像システムのブロック図である。

本発明の１つの実施形態に係る撮像装置は複数の画素を備え、それぞれの画素は、光電変換部と、光電変換部に対応して設けられ、信号電荷を保持する第１保持部及び第２保持部と、電荷に基づく信号を出力する増幅部とを有する。更に、各画素は、光電変換部と第１保持部の間に設けられた第１転送トランジスタと、光電変換部と第２保持部の間に設けられた第２転送トランジスタとを備える。更に、各画素は、第１保持部と増幅部の間に設けられた第３転送トランジスタと、第２保持部と増幅部の間に設けられた第４転送トランジスタと、光電変換部の電荷を排出するオーバーフロートランジスタとを備える。このような構成により、複数の画素の間で光電変換の期間が一致するような撮像動作、いわゆる、グローバル電子シャッタの動作を行うことができる。電子シャッタとは、入射光によって生じる信号電荷の蓄積のタイミングを電気的に制御する撮像動作である。

それぞれのフレームの第１の読み出し期間の前に複数の第１転送トランジスタが同時にオンになることにより、各画素の光電変換部において蓄積された実信号電荷が第１保持部へ転送される。その後、複数の第３転送トランジスタが順次オンになることにより、前フレームの実信号電荷と第１保持部で蓄積された第１の偽信号電荷とが、第１保持部から増幅部へ順次転送される（第１の読み出し）。この転送が終了した第１保持部は、第１の偽信号電荷を再び蓄積し始めるとともに、第１転送トランジスタからの実信号電荷の転送を待機する状態となる。ここで、第１の読み出し期間中、第２転送トランジスタはオフに維持されたままとなっている。光電変換部で蓄積された実信号電荷は第２保持部には転送されないため、第２保持部は、第２保持部で生じる第２の偽信号電荷のみが蓄積されている状態となる。

第１の読み出し期間が終了した後、第２の読み出し期間において、複数の第４転送トランジスタが順次オンになることにより、第２保持部での第２の偽信号電荷の蓄積が終了し、第２の偽信号電荷が第２保持部から増幅部に順次転送される（第２の読み出し）。この転送が終了した第２保持部は次のフレームに対応する第２の偽信号電荷の蓄積を再び開始する。

第１保持部から出力される実信号電荷と第１の偽信号電荷に基づく第１信号と、第２保持部から出力される第２の偽信号電荷に基づく第２信号とを用いて差分処理等の信号処理を行うことにより、偽信号電荷の影響を低減することができる。すなわち、実信号電荷に相当する高精度な画像を得ることが可能となる。

なお、本実施形態の動作タイミングは、フレームごとに対応した第１の読み出し期間及び第２の読み出し期間を有する。ここで、第１の読み出し期間及び第２の読み出し期間に出力される信号の個数は、出力する画像の形式（動画、静止画等）によって変更され得る。例えば、動画の撮影を行う場合には、１フレームに用いられる水平ラインの個数だけ信号が出力され得る。なお、撮像装置が備える画素の全部から信号が出力されることは必須ではなく、例えば一部の行又は一部の列の画素からのみ信号が出力される読み出し方法を採用してもよい。

ここで、保持部の構成、例えば保持部の電極構造、保持部に行われる不純物注入、光電変換部に対する保持部の位置関係などはできる限り第１保持部と第２保持部とで一致していることが望ましい。この場合、第１保持部で生じる偽信号電荷と第２保持部で生じる偽信号電荷が略同等となり、処理後の偽信号電荷をより低減することができ、精度の高い実信号の取得が可能となる。なお、第１保持部と第２保持部の設計、構造等を一致させることは必須ではなく、例えば、第２保持部の面積を第１保持部よりも小さくして、面積の違いを計算により補間して用いることも可能である。第２保持部の面積を低減できるため、その面積を第１保持部に割り当てることで、飽和電荷量を増加させることができる。

また、第３転送トランジスタ又は第４転送トランジスタを順次オンにする前に増幅部の出力信号をあらかじめ取得することで、ｋＴＣノイズを抑制することが可能である。

本発明のいくつかの実施形態に係る撮像装置を用いた撮像システムは、撮像装置から取得された偽信号電荷を含む信号を用いて補正を行うことで偽信号電荷の影響を低減できる。そのため、偽信号電荷に起因する画質の低下が低減され、グローバル電子シャッタ動作を実現しつつ高精度な画像を得ることができる撮像システムが提供される。

本発明の一実施形態に係る撮像装置は、同一行の画素に対して、実信号電荷と第１の偽信号電荷に基づく第１信号を読み出す第１の読み出しと第２の偽信号電荷に基づく第２信号を読み出す第２の読み出しとを連続して行う。１行分の第１信号と第２信号とを連続して取得することができるため、フレームごとの信号をフレームメモリなどで別に保持しておく必要がなく、撮像システムの構成を簡略化することができる。

以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。本発明は、以下に説明される実施形態に限定されず、例えば、以下のいずれかの実施形態の一部の構成を、他の実施形態に追加して組み合わせてもよく、あるいは他の実施形態の一部の構成と置換してもよい。

（第１実施形態）
図１は、本実施形態に係る撮像装置の概略構成を表すブロック図である。撮像装置は画素部１００、垂直走査回路１０１、列増幅回路１０２、水平走査回路１０３、出力回路１０４、制御回路１０５を備える。画素部１００は、複数の行及び列をなすように配置された複数の画素１０を備える。垂直走査回路１０１は、画素１０に含まれる複数のトランジスタをオン（導通状態）又はオフ（非導通状態）に制御するための制御信号を供給する。画素１０の各列には列信号線５が設けられており、画素１０からの信号が列ごとに列信号線５に読み出される。列増幅回路１０２は、列信号線５に出力された画素信号を増幅し、画素１０のリセット時の信号及び光電変換時の信号に基づく相関二重サンプリング処理などの処理を行う。水平走査回路１０３は、列増幅回路１０２の増幅器に接続されたスイッチと、該スイッチをオン又はオフに制御するための制御信号を供給する。出力回路１０４は、バッファアンプ、差動増幅器などから構成され、列増幅回路１０２からの画素信号を撮像装置の外部の信号処理部に出力する。なお、撮像装置の内部の列増幅回路１０２は、偽信号成分の補正などの信号処理を行う信号処理回路の機能を含んでもよい。また、ＡＤ変換部を更に撮像装置に設けることにより、撮像装置がデジタルの画素信号を出力する構成であってもよい。

図２は、本実施形態に係る撮像装置における画素１０の等価回路を示す。図２には、行方向及び列方向に２次元配列された複数の画素１０のうち、３行×３列の９個の画素１０が示されている。しかしながら、これは複数の画素１０の一部を示す例示であり撮像装置は更に多くの画素を有し得る。各画素１０は、光電変換部１、第１保持部２Ａ、第２保持部２Ｂ、浮遊拡散部３、第１転送トランジスタＭ１Ａ、第２転送トランジスタＭ１Ｂ、第３転送トランジスタＭ２Ａ、第４転送トランジスタＭ２Ｂを備える。更に、各画素１０は、増幅トランジスタＭ３、選択トランジスタＭ４、リセットトランジスタＭ５、オーバーフロートランジスタＭ６を備える。

光電変換部１は、入射光を光電変換するとともに、光電変換により生成された信号電荷を蓄積する。第１転送トランジスタＭ１Ａ（第１転送スイッチ）は、光電変換部１と第１保持部２Ａの間に設けられており、オンとなることにより光電変換部１の信号電荷を第１保持部２Ａに転送する。第２転送トランジスタＭ１Ｂ（第２転送スイッチ）は、光電変換部１と第２保持部２Ｂの間に設けられており、オンとなることにより光電変換部１の信号電荷を第２保持部２Ｂに転送する。第１保持部２Ａ及び第２保持部２Ｂは、光電変換部１から転送された信号電荷を保持する。第３転送トランジスタＭ２Ａ（第３転送スイッチ）は、第１保持部２Ａと増幅トランジスタＭ３の浮遊拡散部３の間に設けられており、オンとなることにより第１保持部２Ａの電荷を増幅トランジスタＭ３の浮遊拡散部３に転送する。第４転送トランジスタＭ２Ｂ（第４転送スイッチ）は、第２保持部２Ｂと増幅トランジスタＭ３の浮遊拡散部３の間に設けられており、オンとなることにより第２保持部２Ｂの電荷を増幅トランジスタＭ３の浮遊拡散部３に転送する。増幅トランジスタＭ３のドレインは電源電圧線４に接続され、ソースは選択トランジスタＭ４を介して列信号線５に接続されている。列信号線５には定電流源１６が接続されている。出力信号Ｖｏｕｔは、各列の列信号線５を介して列増幅回路１０２に出力される。リセットトランジスタＭ５（リセットスイッチ）は、オンとなることにより浮遊拡散部３の電圧をリセットする。オーバーフロートランジスタＭ６（排出スイッチ）のソースは光電変換部１、ドレインは電源ノードに接続されており、ゲートには制御信号ＯＦＧが印加される。オーバーフロートランジスタＭ６がオンとなることにより、光電変換部１の電荷を電源ノードなどのオーバーフロードレインに排出することができる。オーバーフロートランジスタＭ６をオンからオフへ制御することで、光電変換部１による電荷の蓄積が開始される。これにより、露光期間の長さを自由に設定することが可能となる。

以下の説明において、浮遊拡散部３、増幅トランジスタＭ３、選択トランジスタＭ４、リセットトランジスタＭ５を併せて出力部と称することがある。また、浮遊拡散部３及び増幅トランジスタＭ３は、転送された電荷に基づく電圧を出力する増幅部として機能する。入射光により光電変換部１での光電変換で得られる信号電荷を実信号電荷と称する。これに対し、光電変換部１以外の部分、例えば第１保持部２Ａ、第２保持部２Ｂで光電変換が起こることにより生じる電荷、電荷のリークで生じる電荷等のノイズ成分の電荷を偽信号電荷と称し、上述の実信号電荷と区別して説明する。第１保持部２Ａで生じる偽信号電荷を第１の偽信号電荷と呼び、第２保持部２Ｂで生じる偽信号電荷を第２の偽信号電荷と呼ぶこともある。

なお、選択トランジスタＭ４を設けずに浮遊拡散部３の信号を読み出してもよい。また、オーバーフロートランジスタＭ６を設けることは必須ではなく、オーバーフロートランジスタＭ６を省略してもよい。オーバーフロートランジスタＭ６を省略する場合、例えば、第１転送トランジスタＭ１Ａをオンからオフへ制御することで、光電変換部１による電荷の蓄積が開始され、露光期間の長さを設定することが可能である。この構成では、露光期間の長さを設定するための各トランジスタの動作方法に制約が生じるが、素子数が削減されるため、レイアウトの自由度が向上する。

また、別の変形例として、光電変換部からの電荷排出先を半導体基板とするバーティカルオーバーフローと呼ばれる構成を採用してもよい。この構成では、基板表面に配置される素子数が削減されるため、レイアウトの自由度が向上する。

同一行に配置された画素１０に対しては共通の制御信号が垂直走査回路１０１から供給される。すなわち、第ｍ行に配置された複数の画素１０の各々に含まれる第１転送トランジスタＭ１Ａのゲートには、制御信号ＴＸ１Ａ（ｍ）が供給される。同様に、第ｍ行の第２転送トランジスタＭ１Ｂのゲートには、制御信号ＴＸ１Ｂ（ｍ）が供給される。第ｍ行の第３転送トランジスタＭ２Ａのゲートには、制御信号ＴＸ２Ａ（ｍ）が供給される。第ｍ行の第４転送トランジスタＭ２Ｂのゲートには、制御信号ＴＸ２Ｂ（ｍ）が供給される。第ｍ行の選択トランジスタＭ４のゲートには、制御信号ＳＥＬ（ｍ）が供給される。第ｍ行のリセットトランジスタＭ５のゲートには、制御信号ＲＥＳ（ｍ）が供給される。第ｍ行のオーバーフロートランジスタＭ６のゲートには、制御信号ＯＦＧ（ｍ）が供給される。なお、各制御信号の添字ｍは行番号を示している。本明細書では特定の行に係る制御信号であることを明示する必要がある場合に添字を付すものとし、その必要がない場合には添字を省略することもある。

これらのトランジスタは、各制御信号がハイレベルのときにオンとなり、ローレベルのときにオフとなる。各行の制御信号を同時にオン又はオフに制御することにより、複数の画素１０における露光期間が同一となるように撮像装置を制御することができる。このような構成により、第１保持部２Ａ及び第２保持部２Ｂが電荷を保持している間、光電変換部１は新たに生じた電荷を蓄積することができ、複数の画素における光電変換の期間を一致させるグローバル電子シャッタ動作を行うことができる。

なお、図２の回路では複数の画素１０の各々が増幅部を有しているが、複数の画素１０に１つの増幅部が共有されていてもよい。また、画素部１００には、図２に示す画素１０のような有効画素の他に、光電変換部１が遮光された遮光画素、光電変換部１を有さないダミー画素などのように画像を構成するための信号を出力しない画素も含まれ得る。

図３は、本実施形態に係る撮像装置における画素１０の断面構造を模式的に示す図である。

光電変換部１は、Ｐ型のウェル領域１４に配され、Ｎ型の半導体領域１１とＰ型の半導体領域１２を有している。半導体領域１１と半導体領域１２はＰＮ接合を形成し、埋め込み型のフォトダイオード構造を構成している。入射光はＰＮ接合において光電変換され、光電変換により生じた電荷がＮ型の半導体領域１１に蓄積される。このとき、Ｐ型の半導体領域１２によってＰＮ接合界面が基板内に埋め込まれているため、ノイズが抑制される。

光電変換部１の下面には、Ｎ型の半導体領域１３が配される。半導体領域１３の不純物濃度は、同じＮ型の半導体領域１１の不純物濃度より低い。これにより、半導体基板内の深い位置で生じた電荷は半導体領域１３に捉えられるため、ノイズが抑制される。半導体領域１３はＰ型であってもよい。更に、半導体領域１３の下面には、電荷に対するポテンシャルバリアとなるＰ型の半導体領域１５が配される。

第１保持部２Ａ及び第２保持部２Ｂは、Ｐ型のウェル領域１４に配されたＮ型の半導体領域２１Ａ及び２１Ｂをそれぞれ有する。光電変換部１から転送された電荷は半導体領域２１Ａ又は２１Ｂに保持される。本実施形態では、半導体領域２１Ａ及び２１Ｂの不純物濃度は同じＮ型の半導体領域１１の不純物濃度よりも高い。

ゲート電極４０Ａは、半導体領域１２と半導体領域２１Ａとの間のウェル領域１４の上側にゲート絶縁膜を介して配され、第１転送トランジスタＭ１Ａのゲートを構成する。ゲート電極４０Ｂは、半導体領域１２と半導体領域２１Ｂとの間のウェル領域１４の上側にゲート絶縁膜を介して配され、第２転送トランジスタＭ１Ｂのゲートを構成する。第１転送トランジスタＭ１Ａ及び第２転送トランジスタＭ１Ｂは、各々のゲート電極４０Ａ及び４０Ｂの電圧が所定の閾値以上である場合にオン状態となる。このとき、第１転送トランジスタＭ１Ａは、光電変換部１に蓄積された電荷を第１保持部２Ａに転送させ、第２転送トランジスタＭ１Ｂは、光電変換部１に蓄積された電荷を第２保持部２Ｂに転送させる。一方、第１転送トランジスタＭ１Ａ及び第２転送トランジスタＭ１Ｂは、ゲート電極４０Ａ及び４０Ｂの電圧が所定の閾値以下である場合にはオフ状態となる。

ゲート電極５０Ａは、半導体領域２１Ａと浮遊拡散部３との間のウェル領域１４の上側にゲート絶縁膜を介して配され、第３転送トランジスタＭ２Ａのゲートを構成する。ゲート電極５０Ｂは、半導体領域２１Ｂと浮遊拡散部３との間のウェル領域１４の上側にゲート絶縁膜を介して配され、第４転送トランジスタＭ２Ｂのゲートを構成する。第３転送トランジスタＭ２Ａ及び第４転送トランジスタＭ２Ｂは、各々のゲート電極５０Ａ及び５０Ｂの電圧が所定の閾値以上である場合にオン状態となる。このとき、第３転送トランジスタＭ２Ａは、第１保持部２Ａの電荷を浮遊拡散部３に転送させ、第４転送トランジスタＭ２Ｂは、第２保持部２Ｂの電荷を浮遊拡散部３に転送させる。一方、第３転送トランジスタＭ２Ａ及び第４転送トランジスタＭ２Ｂは、ゲート電極５０Ａ及び５０Ｂの電圧が所定の閾値以下である場合にはオフ状態となる。また、ゲート電極４０Ａ、４０Ｂ、５０Ａ及び５０Ｂに負の電圧を与えることにより、ゲート電極下部の表面近傍にホールを誘起させることができる。これにより、界面で発生するノイズを抑制することができる。

ここで、第１転送トランジスタＭ１Ａ及び第２転送トランジスタＭ１Ｂがオンである場合、半導体領域２１Ａ及び半導体領域２１Ｂからそれぞれ電荷がリークすることによって微小なノイズが生じ得る。一方、第１転送トランジスタＭ１Ａ及び第２転送トランジスタＭ１Ｂがオフである場合には、半導体領域２１Ａ及び半導体領域２１Ｂの表面にそれぞれホールが誘起されるので、このようなノイズは抑制される。したがって、第１転送トランジスタＭ１Ａ及び第２転送トランジスタＭ１Ｂは、オンの期間がなるべく短くなるように制御されることが好ましい。

遮光部２０３は、例えばタングステン、アルミニウム等のように可視光を通し難い金属で形成され、第１保持部２Ａ及び第２保持部２Ｂを含む半導体領域を遮光する。遮光部２０３は、光電変換部１の上に開口部２０４を有している。開口部２０４の上には、可視光のうち特定の波長域を通過させるカラーフィルタ１０ａと、入射光を集光するマイクロレンズ１０ｂとが配される。

なお、リセットトランジスタＭ５、オーバーフロートランジスタＭ６等は図示されていないが、光電変換部１等と同一基板上に配され得る。例えば、リセットトランジスタＭ５、オーバーフロートランジスタＭ６等は、図３の奥行き方向等に配され得る。浮遊拡散部３は図３においては２つの要素として描かれているが、これらは電気的に接続されており、図２に示されるように１つの要素として等価的に表現され得る。また、図３は画素１０の構造の一例として、表面照射型の画素１０を示しているが、画素１０は裏面照射型であってもよい。また、第１保持部２Ａ及び第２保持部２ＢはＰ型のウェル領域１４上に形成されているが、Ｎ型のウェル領域上に形成されてもよい。この場合、Ｎ型とＰ型は逆となり、第１保持部２Ａ及び第２保持部２Ｂには、電子の代わりにホールが保持される。また、画素１０に供給される制御信号のハイレベルとローレベルが逆になる。

図４は、本実施形態に係る撮像装置の動作を模式的に示す図であり、主に第ｎフレームから第ｎ＋２フレームまでの露光動作と第ｎ−１フレームから第ｎ＋１フレームまでの読み出し動作とを示している。

図４には、フレーム期間、光電変換部１の実信号蓄積期間、第１保持部２Ａの実信号保持期間、第２保持部２Ｂの実信号保持期間、第１の読み出し期間、第２の読み出し期間等が模式的に示されている。第１の読み出し期間は、第１保持部２Ａから浮遊拡散部３への読み出し期間に相当する。第２の読み出し期間は、第２保持部２Ｂから浮遊拡散部３への読み出し期間に相当する。図中の「フレーム期間」は、動画を構成する各フレームの画像を取得する期間である。図中の「光電変換部の実信号蓄積期間」は、光電変換部１が入射光に基づく電荷を生成し蓄積している期間を示している。図中の「ＴＸ２Ａ読み出し動作」は、垂直走査回路１０１からの制御信号ＴＸ２Ａ（ｍ）が１行目から順次ハイレベルになる期間、すなわち、第３転送トランジスタＭ２Ａがオンになる期間を示している。図中の「ＴＸ２Ｂ読み出し動作」は、垂直走査回路１０１からの制御信号ＴＸ２Ｂ（ｍ）が１行目から順次ハイレベルになる期間、すなわち、第４転送トランジスタＭ２Ｂがオンになる期間を示している。図中の「第１の読み出し期間」、及び「第２の読み出し期間」は、垂直走査回路１０１からの走査により、順次画素の読み出し動作が行われる期間を示している。ここで、読み出し動作とは、第３転送トランジスタＭ２Ａ及び第４転送トランジスタＭ２Ｂによる電荷の転送と、増幅トランジスタＭ３と選択トランジスタＭ４による信号の出力とを含む動作である。

時刻Ｔ１において、第１保持部２Ａには、第ｎ−１フレームに光電変換部１で生成された実信号電荷と、第ｎ−１フレームの第１の読み出し期間以後に生じた第１の偽信号電荷とが蓄積されている。更に、第２保持部２Ｂには、第ｎ−１フレームの第２の読み出し期間以後に生じた第２の偽信号電荷が蓄積されている。

その後、時刻Ｔ１から時刻Ｔ２の間の第１の読み出し期間において、垂直走査回路１０１は各行を順次走査する。列増幅回路１０２は、垂直走査回路１０１の走査に応じて、第１保持部２Ａに保持された実信号電荷と第１保持部２Ａに保持された第１の偽信号電荷とに基づく画素信号を順次出力する。各行の第１保持部２Ａからの画素信号の出力が終了すると、第１の偽信号蓄積期間が順次開始される。

時刻Ｔ１から第１の読み出し期間が経過した時刻、すなわち時刻Ｔ２において、第ｎ−１フレームの画素信号の読み出しが完了する。その後、時刻Ｔ３から時刻Ｔ４までの第２の読み出し期間において、垂直走査回路１０１は再度各行を順次走査する。列増幅回路１０２は、垂直走査回路１０１の走査に応じて、第２保持部２Ｂに保持された第２の偽信号電荷に基づく画素信号を順次出力する。各行の第２保持部２Ｂは出力が終了すると、第２の偽信号蓄積期間が順次開始される。

これらの動作と並行して、光電変換部１は、第ｎフレームの実信号蓄積期間（ｎ）における電荷蓄積を行う。すなわち、上述の第１の読み出しと第２の読み出しは、図４に示されるように光電変換部１における電荷の蓄積と並行して行われる。被写体の明るさなどの撮影条件に応じて露光期間の長さを増減させてもよく、この場合、第１の読み出しと第２の読み出しの両方が光電変換部１における電荷の蓄積と並行していることは必須ではない。すなわち、第１の読み出しと第２の読み出しのいずれか一方のみが電荷の蓄積と並行して行われてもよく、第１の読み出しと第２の読み出しが終了した後で光電変換部１における電荷の蓄積が開始されてもよい。

その後、時刻Ｔ５の直前に第１転送トランジスタＭ１Ａがオンとなり、時刻Ｔ５において第１転送トランジスタＭ１Ａがオフとなる。これにより、１フレームの露光期間に光電変換部１に蓄積された電荷が第１保持部２Ａに転送され、第ｎフレームの実信号蓄積期間（ｎ）が終了する。第１保持部２Ａは、第ｎフレームに光電変換部１で生成された実信号電荷と、第ｎフレームの第１の偽信号蓄積期間に生じた偽信号電荷とを保持する。更に、第２保持部２Ｂは、第ｎフレームの第２の偽信号蓄積期間に生じた第２の偽信号電荷を保持する。

以下、同様に、第ｎ＋１フレーム、第ｎ＋２フレーム、…の撮像動作が繰り返し実行される。なお、実際には２つの露光期間の間には光電変換部１をリセットする期間が存在するが、図４において、当該期間は不図示としている。すなわち、図４では、第ｎフレームが終了する時刻Ｔ５と次の第ｎ＋１フレームの時刻Ｔ１とが一致するように図示されているが実際にはこれらの時刻の間にオーバーフロートランジスタＭ６をオンにし、その後オフにする期間が存在する。ただし、この期間は短いため、１フレームの露光が終了した後、短時間で次のフレームの露光期間を開始することができる。したがって、本実施形態の構成によれば、露光がなされない期間、すなわち画像情報が欠落する期間を少なくすることができるため、画質を向上させたグローバル電子シャッタ動作が可能となる。

なお、図４においては、第１行から順に読み出しが行われているが、読み出しの順序はこれに限定されない。第１及び第２の読み出し期間の各々において、各画素に対して少なくとも１回の読み出しが行われればよく、読み出しの順序は限定されない。

図５は、本実施形態に係る撮像装置のタイミングチャートであって、第ｍ−１〜第ｍ＋１行の制御信号ＯＦＧ、ＴＸ１Ａ、ＴＸ１Ｂ、ＴＸ２Ａ、ＴＸ２Ｂを示している。上述したように、制御信号ＯＦＧはオーバーフロートランジスタＭ６のゲートに印加される信号である。更に、制御信号ＴＸ１Ａ、ＴＸ１Ｂ、ＴＸ２Ａ、ＴＸ２Ｂは、第１転送トランジスタＭ１Ａのゲート、第２転送トランジスタＭ１Ｂのゲート、第３転送トランジスタＭ２Ａのゲート、第４転送トランジスタＭ２Ｂのゲートにそれぞれ印加される信号である。制御信号がハイレベルのときに、対応するトランジスタがオンとなり、制御信号がローレベルのときに、対応するトランジスタがオフとなる。なお、図５には、第ｍ−１〜第ｍ＋１行の制御信号のみが示されているが、その他の行についても、順次、同様に駆動される。

ここで、図中の実信号保持期間、第１の偽信号蓄積期間、第２の偽信号蓄積期間には２つの添字が付されている。１つ目の添字は、当該信号に対応するフレームの番号を示す。２つ目の添字は、行番号を示す。例えば、実信号保持期間（ｎ，ｍ）は、ｍ行目の画素１０に対するｎフレーム目の信号が第１保持部２Ａに保持されている期間を示している。上述のように、ｎフレーム目の信号の読み出しはｎ＋１フレーム目の露光と並行して行われ得るので、実信号保持期間（ｎ，ｍ）は、ｎ＋１フレーム期間と少なくとも一部が重複し得る。

図４及び図５を参照しつつ、本実施形態に係る撮像装置の動作タイミングをより詳細に説明する。時刻Ｔ１よりも前の時刻において、各行の制御信号ＴＸ１Ａがハイレベルになり、複数の画素１０の各々に含まれる第１転送トランジスタＭ１Ａが同時にオンとなる。この動作により、第ｎ−１フレームに蓄積された電荷が実信号電荷として光電変換部１から第１保持部２Ａへ転送される。

時刻Ｔ１において、各行の制御信号ＴＸ１Ａがローレベルになり、各画素の第１転送トランジスタＭ１Ａが同時にオフになる。その後、各行の制御信号ＯＦＧがハイレベルになり、オーバーフロートランジスタＭ６がオンになる。この動作により、光電変換部１に蓄積された電荷及び光電変換部１に残存する電荷が排出される。その後、次のフレームの露光の開始時刻である時刻Ｔ０において、各行の制御信号ＯＦＧがローレベルになり、オーバーフロートランジスタＭ６はオフになる。この時刻Ｔ０から、光電変換部１は電荷の蓄積を開始し、実信号蓄積期間（ｎ）が開始される。オーバーフロートランジスタＭ６をオンからオフにするタイミングを制御することで、露光開始の時刻Ｔ０を適宜設定することができる。なお、オーバーフロートランジスタＭ６がオンからオフになるタイミングは各画素の第１転送トランジスタＭ１Ａがオフになるタイミングよりも前であってもよい。この場合、１フレームの露光期間が開始する時刻は第１転送トランジスタＭ１Ａがオフになる時刻である。

時刻Ｔ１からＴ２までの期間、すなわち第１の読み出し期間において、制御信号ＴＸ２Ａ（１）、…、ＴＸ２Ａ（ｍ−１）、ＴＸ２Ａ（ｍ）、ＴＸ２Ａ（ｍ＋１）、…が順次ハイレベルになり、第３転送トランジスタＭ２Ａが順次オンになる。この動作により、第ｎ−１フレームにおいて第１保持部２Ａに蓄積された電荷が順次浮遊拡散部３に読み出される。なお、図５では、例えば、制御信号ＴＸ２Ａ（ｍ）により、ｍ行目の第３転送トランジスタＭ２Ａがオンになった後再びオフに戻る時刻を時刻ＴＸＡ（ｎ，ｍ）のようにフレーム番号と行番号を添えて示している。

制御信号ＯＦＧは、１フレームの露光期間の開始時刻Ｔ０から、次フレーム期間の開始時刻Ｔ５までローレベルに維持される。すなわち、オーバーフロートランジスタＭ６は、時刻Ｔ０から時刻Ｔ５までの期間、オフ状態に維持される。オーバーフロートランジスタＭ６がオフ状態に維持される期間は第ｎフレームの露光期間に相当する。この露光期間中は、光電変換部１に電荷が蓄積され続ける。また、この期間、すなわち光電変換部１に電荷が蓄積されている期間において、制御信号ＴＸ１Ｂは、ローレベルに維持されており、第２転送トランジスタＭ１Ｂはオフに維持されている。なお、図５に示されるように、オーバーフロートランジスタＭ６がオンになっている期間も含め、第２転送トランジスタＭ１Ｂが全期間にわたりオフに維持されていてもよい。

時刻Ｔ２において、実信号と第１の偽信号電荷の読み出しを行う第１の読み出し期間が終了する。その後、時刻Ｔ３から時刻Ｔ４までの期間（第２の読み出し期間）において、垂直走査回路１０１は、再度各行を順次走査する。具体的には、上述の第１の読み出し期間と同様に、制御信号ＴＸ２Ｂ（１）、…、ＴＸ２Ｂ（ｍ−１）、ＴＸ２Ｂ（ｍ）、ＴＸ２Ｂ（ｍ＋１）、…が順次ハイレベルになり、第４転送トランジスタＭ２Ｂが順次、オンになる。この動作により、列増幅回路１０２は、第２転送トランジスタＭ１Ｂがオフに維持される第２の偽信号蓄積期間に第２保持部２Ｂに蓄積された偽信号電荷に基づく画素信号を順次出力する。各行の第２保持部２Ｂが出力を終了すると、第２の偽信号蓄積期間が行ごとに順次開始される。なお、図５では、例えば、制御信号ＴＸ２Ｂ（ｍ）により、ｍ行目の第４転送トランジスタＭ２Ｂがオンになった後再びオフに戻る時刻を時刻ＴＸＢ（ｎ，ｍ）のようにフレーム番号と行番号を添えて示している。

その後、時刻Ｔ５の直前に制御信号ＴＸ１Ａがハイレベルになり第１転送トランジスタＭ１Ａがオンになる。更に、時刻Ｔ５において制御信号ＴＸ１Ａがローレベルになり第１転送トランジスタＭ１Ａがオフになる。これらの動作により、光電変換部１に蓄積された電荷が第１保持部２Ａに転送され、第ｎフレームの実信号蓄積期間（ｎ）が終了する。このとき、第１保持部２Ａは、第ｎフレームに光電変換部１で生成された実信号電荷と、第ｎフレームの第１の偽信号蓄積期間に生じた第１の偽信号電荷とに基づく電荷を保持する。第２保持部２Ｂは、第ｎフレームの第２の偽信号蓄積期間に生じた第２の偽信号電荷を保持する。

第ｎ−１フレーム以前及び第ｎ＋１フレーム以降の各フレームにおいても、上述と同様の処理が繰り返される。第１の偽信号蓄積期間及び第２の偽信号蓄積期間の長さは略等しく、これらは１フレームの期間の長さに相当している。すなわち、第１保持部２Ａから浮遊拡散部３への電荷の転送間隔と、第２保持部２Ｂから浮遊拡散部３への電荷の転送間隔とは略一定である。

なお、第１の偽信号蓄積期間は、あるフレーム（第ｎフレームとする）において第３転送トランジスタＭ２Ａがオフになる時刻ＴＸＡ（ｎ，ｍ）から、次のフレームにおいて第３転送トランジスタＭ２Ａがオフになる時刻ＴＸＡ（ｎ＋１，ｍ）までである。また、第２の偽信号蓄積期間は、あるフレーム（第ｎフレームとする）において第４転送トランジスタＭ２Ｂがオフになる時刻ＴＸＢ（ｎ，ｍ）から、次のフレームにおいて第４転送トランジスタＭ２Ｂがオフになる時刻ＴＸＢ（ｎ＋１，ｍ）までである。

図６は、本実施形態に係る制御信号のタイミングチャートであって、画素信号の読み出しの動作を表している。以下、第１の読み出し期間において行われる１行分の読み出し動作を説明する。第２の読み出し期間における読み出しは、第３転送トランジスタＭ２Ａ、制御信号ＴＸ２Ａ、第１保持部２Ａをそれぞれ第４転送トランジスタＭ２Ｂ、制御信号ＴＸ２Ｂ、第２保持部２Ｂと読み替えることにより理解され得るので、説明を省略する。

図６には、選択トランジスタＭ４に供給される制御信号ＳＥＬ、リセットトランジスタＭ５に供給される制御信号ＲＥＳ、第３転送トランジスタＭ２Ａに供給される制御信号ＴＸ２Ａが示されている。第３転送トランジスタＭ２Ａ、選択トランジスタＭ４、リセットトランジスタＭ５はそれぞれに対応する制御信号がハイレベルのときにオンになり、ローレベルのときにオフになる。

以下、図１及び図６を参照しながら、画素信号の読み出しの動作を説明する。まず、垂直走査回路１０１は、制御信号ＳＥＬをハイレベルとすることで、選択トランジスタＭ４をオンとし、信号を読み出す画素１０を選択する。次に、垂直走査回路１０１は、制御信号ＲＥＳをハイレベルとし、リセットトランジスタＭ５をオンにする。リセットトランジスタＭ５がオンとなることで、浮遊拡散部３の電圧が電源電圧にリセットされる。リセットトランジスタＭ５がオフとなった後、列増幅回路１０２は列信号線５から、リセット時の画素信号の読み出し（Ｎ読み）を行う。垂直走査回路１０１は制御信号ＴＸ２Ａをハイレベルとすることで、第３転送トランジスタＭ２Ａをオンとし、第１保持部２Ａの電荷を浮遊拡散部３へ転送する。列増幅回路１０２は列信号線５から画素信号の読み出し（Ｓ読み）を行う。このようにして読み出された画素信号は列増幅回路１０２あるいは出力回路１０４において相関二重サンプリング処理され、出力回路１０４から出力される。なお、画素信号をＡＤ変換した後に相関二重サンプリング処理を行ってもよい。

本実施形態の撮像装置は、第２転送トランジスタＭ１Ｂは光電変換部１に電荷が蓄積されている期間内においてオフに維持されている。そのため、光電変換部１から第２保持部２Ｂへの実信号電荷の転送は行われない。したがって、第２保持部２Ｂに蓄積される電荷は第２の偽信号電荷のみである。

また、第１の読み出し期間と第２の読み出し期間とは略等しい長さであり、２つの読み出し期間の長さの合計が１フレームの期間の長さと略一致する。したがって、例えば毎秒６０フレームの動画を撮影する場合、第１及び第２の読み出し期間は、それぞれ約１／１２０秒となる。

なお、本実施形態の撮像装置は、グローバル電子シャッタの動作モードに加えてローリングシャッタの動作モードを有していてもよい。ローリングシャッタは、画素１０の光電変換部１による電荷の蓄積を、行ごとあるいは複数行ごとに順次開始する動作モードである。この動作モードでは、画素１０の各行の第１転送トランジスタＭ１Ａが、行ごとあるいは複数行ごとに順次、オンに制御される。

以上のように、本実施形態によれば、保持部において生じる偽信号電荷に相当する補正用信号を別途、取得することができる。したがって、この補正用信号を用いて差分処理等の信号処理を行うことで偽信号成分の補正を行うことができるので、ノイズが低減されたグローバル電子シャッタを実現可能な撮像システムが提供され得る。

第２の読み出し期間において読み出された信号（第２信号）を用いて、第１の読み出し期間において読み出された信号（第１信号）を補正する処理を行うことにより、偽信号電荷の影響を補正することができ、偽信号に起因する画質劣化を軽減することができる。以下、この補正方法の一例である差分処理を具体的に説明する。なお、当該補正方法は、撮像装置が搭載される撮像システム内の信号処理部において行われてもよく、撮像装置内の列増幅回路１０２において行われてもよい。また、この補正方法はＡＤ変換後のデジタル信号に対するデジタル信号処理により行われてもよく、ＡＤ変換前のアナログ信号に対し演算増幅器等を用いて行われてもよい。

実信号電荷に基づく信号のレベルをＶｒ、第１の偽信号電荷に基づく信号のレベルをＶｆ１、第２の偽信号電荷に基づく信号のレベルをＶｆ２とする。このとき、第１の読み出し期間に読み出される第１信号は（Ｖｒ＋Ｖｆ１）であり、第２の読み出し期間に読み出される第２信号はＶｆ２である。本実施形態では、第１の偽信号蓄積期間の長さと第２の偽信号蓄積期間の長さが略同一である。したがって、Ｖｆ１はＶｆ２と略同一となる。したがって、以下の式（１）が成り立つ。
（Ｖｒ＋Ｖｆ１）−Ｖｆ２≒Ｖｒ （１）

式（１）より、第１の読み出し期間に読み出される第１信号（Ｖｒ＋Ｖｆ１）から第２の読み出し期間に読み出される第２信号Ｖｆ２を減算することにより偽信号の補正が可能である。これにより、第１の偽信号電荷と第２の偽信号電荷がキャンセルされ、実信号電荷に基づく信号Ｖｒが得られる。減算に用いる第２信号Ｖｆ２は、同一フレームの第２信号Ｖｆ２を用いてもよいが、近い時刻のフレームであれば異なるフレームの第２信号Ｖｆ２を用いてもよい。また、本実施形態においては第２の読み出し期間は各フレームに設けられているため、各フレームの第２信号Ｖｆ２が取得される。しかしながら、複数のフレームにわたる期間において第２信号Ｖｆ２の取得を１回のみ行う駆動方法とすることも可能である。言い換えると、第４転送トランジスタＭ２Ｂにより第２信号Ｖｆ２が読み出される頻度が、第３転送トランジスタＭ２Ａにより第１信号（Ｖｒ＋Ｖｆ１）が読み出される頻度より低くなるように撮像装置が駆動されてもよい。この場合、第２の読み出し期間がないフレームの補正には、第２の読み出し期間のないフレームの前後のフレームで取得された第２信号Ｖｆ２を用いることができる。この構成によれば、信号読み出しの頻度を低下させることができるため、消費電力を低減しうる。

以上のように、本実施形態によれば、偽信号の補正用信号を取得し得る撮像装置が提供される。また、本実施形態によれば、この補正用信号を用いた処理を行うことにより、偽信号による画質劣化がより軽減された画像を取得可能な撮像装置あるいは撮像システムが提供され得る。なお、上述の補正の処理は、図６に示すＳ読みで得られた信号に対して行ってもよく、相関二重サンプリング処理後の信号に対して行ってもよい。

（第２実施形態）
第２実施形態に係る撮像装置について説明する。第１実施形態では、第１の読み出し期間と第２の読み出し期間とが、それぞれ別の期間に設定されている。これに対して、本実施形態では各行の読み出しを行う期間において、ある行の第１の読み出しの直後に、間に他の行の転送を行うことなく同一の行の第２の読み出しが行われる点が第１実施形態と異なる。以下、第１実施形態と同様の構成については省略又は簡略化して本実施形態の構成を説明する。

図７は、本実施形態に係る撮像装置の動作を模式的に示す図であり、図８は、本実施形態に係る撮像装置のタイミングチャートである。

第１の実施形態の図４、図５では第１の読み出し期間と第２の読み出し期間とが、それぞれ別の期間に設定されている。これに対し、本実施形態の図７、図８では、各行の読み出し期間において、第１の読み出し期間の直後に第２の読み出し期間が配されている。本構成により、本実施形態の撮像装置は、第１の読み出しで読み出される信号と、第２の読み出しで読み出される信号とを連続して取得することができる。第１の実施形態のように、第１の読み出し期間と第２の読み出し期間とが別の期間に設定されている構成では、読み出しの完了後に差分処理等を行うため、各読み出し期間ごとの信号をフレームメモリなどのメモリに一時的に保持しておく必要がある。本実施形態では、１行の読み出しにおいて、その間に他の行の転送を行うことなく連続して信号を取得可能なため、出力列ごとに一つのメモリを有していれば補正のための演算を行うことが可能であり、撮像システムの構成を簡略化することができる。

本実施形態によれば、第１実施形態と同様の効果が得られることに加えて、第１の読み出しと第２の読み出しとが、その間に他の行の転送を行うことなく連続して行われることにより、撮像システムの構成を簡略化することができる。

（第３実施形態）
第３実施形態に係る撮像装置について説明する。第１実施形態では、第１転送トランジスタＭ１Ａは、各フレームにおいて、１回のみオンになる。これに対し、本実施形態は、第１の読み出し期間が終了した後に、再度第１転送トランジスタＭ１Ａがオンになる駆動方法となっている点が第１の実施形態と異なる。以下、第１実施形態と同様の構成については省略又は簡略化して、本実施形態の構成を説明する。

図９は本実施形態に係る撮像装置の動作を模式的に示す図であり、図１０は、本実施形態に係る撮像装置のタイミングチャートである。

第１の実施形態の図４、図５の駆動方法では、時刻Ｔ１（本実施形態ではＴＲＡ１とも呼ぶ）の直前に制御信号ＴＸ１Ａが一時的にハイレベルになった後、時刻Ｔ５の直前までは制御信号ＴＸ１Ａはローレベルに維持される。すなわち、１フレーム期間において１回のみ第１転送トランジスタＭ１Ａがオンになっている。これに対し、本実施形態の図９、図１０の駆動方法では、これに加えて時刻ＴＲＡ２の直前にも制御信号ＴＸ１Ａがハイレベルになっており、第１転送トランジスタＭ１Ａがオンになる。すなわち、１フレーム期間において第１転送トランジスタＭ１Ａが２回オンになっている。このように、光電変換部１から第１保持部２Ａへの電荷の転送を２回行うことができるため、光電変換部１の飽和電荷量の略２倍までオーバーフローさせずに信号を取得することが可能となる。これにより、撮像装置で取得される画像のダイナミックレンジを拡大することができる。

なお、本実施形態においては一例として、第１転送トランジスタＭ１Ａがオンになる回数を２回としているが、複数回であればその回数は適宜設定可能である。読み出し回路の設計の調整、あるいは読み出す行を間引き等の駆動方法の調整により、第１の読み出し期間を短くすることにより、第１転送トランジスタＭ１Ａがオンになる回数を更に増加させてもよい。この場合、回数に応じてダイナミックレンジを更に拡大し得る。

本実施形態によれば、第１実施形態と同様の効果が得られることに加えて、第１転送トランジスタが電荷の転送をフレームごとに複数回行うことにより、撮像装置で取得される画像のダイナミックレンジを拡大することが可能となる。したがって、より高精度に画像を取得することができる。

（第４実施形態）
第４実施形態に係る撮像装置について説明する。第１実施形態では、第２転送トランジスタＭ１Ｂは露光期間内においてオフに維持されている。すなわち、光電変換部１から第２保持部２Ｂへの実信号電荷の転送は行われず、第２保持部２Ｂには第２の偽信号電荷のみが蓄積されている。しかしながら、第１転送トランジスタＭ１Ａがオンになる際に生じるノイズが相対的に大きい場合は、第１保持部２Ａに蓄積される偽信号電荷と第２保持部２Ｂに蓄積される偽信号電荷の差が大きくなり得る。そのため、補正の精度が低下し得る。そこで、本実施形態では、１フレームの露光期間中に第１転送トランジスタＭ１Ａがオンになる回数と第２転送トランジスタＭ１Ｂがオンになる回数とを一致させることにより、上述の偽信号電荷の差を低減させている。以下、第１実施形態と同様の構成については省略又は簡略化して本実施形態の構成を説明する。

図１１は、本実施形態に係る撮像装置のタイミングチャートである。第１の実施形態の図５では、制御信号ＴＸ１Ｂはローレベルに維持されている。これに対し、本実施形態の図１１では、時刻Ｔ０以降かつ時刻ＴＲＢ１の直前において、制御信号ＴＸ１Ｂがハイレベルになり、その後時刻ＴＲＢ１において、制御信号ＴＸ１Ｂがローレベルになる動作が行われる。これにより、オーバーフロートランジスタＭ６がオフになった直後に、第１転送トランジスタＭ１Ａがオフの状態で、第２転送トランジスタＭ１Ｂが一時的にオンになっている点が第１の実施形態と異なる。このように、本実施形態では、第２転送トランジスタＭ１Ｂが１回オンになる動作が追加されている。そのため、１フレームの露光期間中に第１転送トランジスタＭ１Ａがオンになる回数と第２転送トランジスタＭ１Ｂがオンになる回数とが１回ずつとなっており、転送回数が同一である。これにより、第１転送トランジスタＭ１Ａをオンにすることで生じるノイズの量と第２転送トランジスタＭ１Ｂをオンにすることで生じるノイズの量とを近づけることができる。したがって、第１保持部２Ａに蓄積される第１の偽信号電荷と第２保持部２Ｂに蓄積される第２の偽信号電荷の差が低減され、補正の精度が向上し得る。

なお、本実施形態においては、一例として、第１転送トランジスタＭ１Ａ、第２転送トランジスタＭ１Ｂがオンになる回数はいずれも１フレームごとに１回ずつであるが、２回以上、すなわち、複数回であってもよい。２回以上である場合、第１転送トランジスタＭ１Ａ及び第２転送トランジスタＭ１Ｂがオンになる回数をフレームごとに同一とすることで、偽信号電荷の差が低減され、補正の精度が向上し得る。

本実施形態によれば、第１実施形態と同様の効果が得られることに加えて、転送トランジスタをオンにする際に生じるノイズの影響を低減することができ、補正の精度がより向上し得る。

（第５実施形態）
第５実施形態に係る撮像装置について説明する。第１実施形態では、第２保持部２Ｂには実信号電荷は転送されないが、本実施形態は、第２保持部２Ｂにも実信号電荷の転送が行われる点が第１実施形態と異なる。以下、第１実施形態と同様の構成については省略又は簡略化して本実施形態の構成を説明する。

図１２は、本実施形態に係る撮像装置の動作を模式的に示す図であり、図１３は、本実施形態に係る撮像装置のタイミングチャートである。

本実施形態においては、第ｎ−１フレーム期間中に蓄積された実信号電荷が光電変換部１から第１保持部２Ａへ転送される時刻ＴＲＡ１は、時刻Ｔ１よりも前の時刻である。また、第１保持部２Ａから実信号電荷を読み出す第１の読み出し期間が開始する時刻ＴＸＡ１は時刻Ｔ１よりも前の時刻である。第１の読み出し期間が終了する時刻は時刻ＴＸＡ２である。光電変換部１から第２保持部２Ｂに実信号電荷が転送される時刻は時刻ＴＲＢ１である。本実施形態では時刻ＴＲＢ１は時刻Ｔ１と一致している。第２保持部２Ｂから実信号電荷を読み出す第２の読み出し期間は、時刻ＴＸＢ１から開始し、時刻ＴＸＢ２に終了する。

このような読み出し方法により、時刻Ｔ０から時刻ＴＲＡ１までの期間（第１露光期間）に光電変換部１に蓄積された実信号電荷は、第１保持部２Ａに転送される。また、時刻ＴＲＡ１から時刻ＴＲＢ１までの期間（第２露光期間）に光電変換部１に蓄積された実信号電荷は、第２保持部２Ｂに転送される。すなわち、１フレームの露光期間に光電変換部１に蓄積された実信号電荷は、期間ごとに第１保持部２Ａと第２保持部２Ｂに割り振られる。その後、第１の読み出し期間において、第１保持部２Ａから実信号電荷の一部（第１の実信号電荷）と第１の偽信号電荷が読み出され、第２の読み出し期間において、実信号電荷の残り（第２の実信号電荷）と第２の偽信号電荷が読み出される。これらの差分を取得することにより、第１乃至第４実施形態と同様に偽信号電荷の補正を行うことができる。

本実施形態では、第１実施形態と比べて、少ない実信号電荷に対応した値が得られる。すなわち、実質的に露光期間の長さを短縮したのと同様の効果が得られる。この効果は、光電変換部１で蓄積された電荷の一部をオーバーフロートランジスタＭ６に排出することと等価である。また、露光期間の短縮量は時刻ＴＲＡ１の設定により調整可能である。このように、本実施形態では、第１実施形態と同様の効果が得られることに加えて、オーバーフロートランジスタＭ６の動作を変化させることなく露光期間の調整が可能であるため、撮影状況に応じて信号レベルの制御がより容易に行われ得る。

更に、本実施形態は、オーバーフロートランジスタＭ６を省略した回路構成に変形可能である。上述のように、本実施形態の撮像装置は、オーバーフロートランジスタＭ６を用いずに蓄積時間を制御することができる。そのため、オーバーフロートランジスタＭ６を省略する回路構成変更が可能である。言い換えると、光電変換部１が、第１転送トランジスタＭ１Ａ及び第２転送トランジスタＭ１Ｂ以外に電荷を排出する経路を有さず、第１転送トランジスタＭ１Ａ及び第２転送トランジスタＭ１Ｂのみから電荷を排出し得る構成としてもよい。この変形例においては、画素１０を構成する各素子を半導体基板上に配置する際にオーバーフロートランジスタＭ６の分の面積を削減することができるため、素子面積が低減され、各素子の配置の自由度が向上する。

（第６実施形態）
以下、第６実施形態に係る撮像装置について説明する。本実施形態の撮像装置は、第１乃至第５の実施形態の撮像装置において、画素１０から信号を読み出す際の信号増幅率（ゲイン）を変える機能が列増幅回路１０２等に追加されている構成を有する。

偽信号は、暗電流、電荷のリーク成分、保持部の遮光が不十分なことによる保持部自体での光電変換等によって生じるノイズ成分である。そのため、偽信号の信号量は、実信号の信号量に比べて、非常に小さい場合がある。このような場合、周辺回路部で混入し得るランダムノイズ成分等の影響により偽信号を高精度に取得することが困難になり得る。ゲインを大きくすることで偽信号を高精度に取得することは可能であるが、その場合、実信号のレベルも大きくなるため、ダイナミックレンジが十分に確保できなくなる可能性がある。

そこで、本実施形態では、実信号電荷と第１の偽信号電荷に基づく第１信号を読み出す第１の読み出しと、第２の偽信号電荷に基づく第２信号を読み出す第２の読み出しとにおいて、列増幅回路１０２のゲインを異ならせる。より具体的には、第２信号を読み出す第２の読み出しの際の列増幅回路１０２のゲインを、第１信号を読み出す第１の読み出しの際のゲインよりも大きな値に設定する。このように列増幅回路１０２のゲインを設定することで、実信号のダイナミックレンジを確保しつつ、撮像装置の周辺回路部で混入し得るランダムノイズ成分等の偽信号に対する影響を低減することができる。これにより、偽信号をより高精度に取得できる。例えば、第１の読み出しの際の列増幅回路１０２のゲインを１倍とし、第２の読み出しの際の、列増幅回路１０２のゲインを４倍とすることで、偽信号の信号量を実質的に４倍とすることができ、偽信号をより高精度に取得できる。

このようにして得られた第２信号を用いて差分処理等などの信号処理を行うことで、偽信号の信号量が小さい場合であっても高精度に偽信号成分の補正を行うことが可能となるため、よりノイズを低減することができる。なお、第１信号と第２信号に含まれる偽信号のレベルを一致させるため、ゲインの比に応じて信号の値を調整してから差分処理を行う必要がある。例えば、上述の例のように第２の読み出しの際のゲインが第１の読み出しの際のゲインの４倍である場合、差分処理の前に第２信号の値を４で除算するなどの調整が必要となる。

列増幅回路１０２が信号レベルを判定してゲインを複数の値に切り替え可能な構成であってもよい。この場合、第２信号は、複数のゲインのうちの大きい値のゲインにより読み出され得るため同様の効果が得られる。また、列増幅回路１０２が一度に互いにゲインの値が異なる複数の信号を出力可能な構成であってもよい。この場合にも、複数のゲインのうちの大きい値のゲインで読み出された第２信号を補正に用いることで同様の効果が得られる。

ゲインの切り替えは、列増幅回路１０２で行う構成に限定されない。例えば、画素１０に含まれる浮遊拡散部３の容量を切り替えることでも同様にゲインの切り替えが可能である。具体的構成の一例としては、浮遊拡散部３の容量に切り替えスイッチを介した付加容量を並列接続した構成を採用することができる。浮遊拡散部３自体の容量をＣ１、付加容量の容量をＣ２とする。第１信号を読み出す際には、付加容量の切り替えスイッチをオンに制御することで、浮遊拡散部３に生じる合成容量はＣ１＋Ｃ２に設定される。第２信号を読み出す際には、付加容量の切り替えスイッチをオフに制御することで、浮遊拡散部３に生じる容量はＣ１に設定される。このようにすることで、浮遊拡散部３の容量を切り替えることによるゲインの切り替えが可能である。

（第７実施形態）
以下、第７実施形態に係る撮像システムについて、図１４を用いて説明する。本実施形態の撮像システムは、第１乃至第６実施形態の撮像装置を備えるものであり、例えば、デジタルスチルカメラ、デジタルカムコーダ、複写機、ファックス、携帯電話、車載カメラ、観測衛星などが挙げられる。また、撮像システムには、レンズなどの光学系と撮像装置とを備えるカメラモジュールも含まれる。図１４には、撮像システムの一例としてデジタルスチルカメラのブロック図を示す。図１４に示す撮像システムは、レンズ保護バリア１００１、レンズ１００２、絞り１００３、撮像装置１００４、信号処理部１００７を備える。また、タイミング発生部１００８、制御部１００９、メモリ部１０１０、記録媒体Ｉ／Ｆ部１０１１、記録媒体１０１２、外部Ｉ／Ｆ部１０１３を備える。

レンズ保護バリア１００１は、レンズ１００２を保護する。レンズ１００２は、被写体の光学像を撮像装置１００４に結像させる。絞り１００３は、レンズ１００２を通った光量を可変する。撮像装置１００４は、第１乃至第６実施形態で説明した撮像装置であって、レンズ１００２により結像された光学像を画像データに変換する。信号処理部１００７は、撮像装置１００４から出力された撮像データに対して、各種の補正やデータ圧縮を行う。タイミング発生部１００８は、撮像装置１００４及び信号処理部１００７に対して各種タイミング信号を出力する。制御部１００９は、デジタルスチルカメラ全体を制御する。メモリ部１０１０は、画像データを一時的に記憶する。記録媒体Ｉ／Ｆ部１０１１は、記録媒体１０１２の記録又は読み出しを行う。記録媒体１０１２は、撮像データの記録又は読み出しを行うための半導体メモリ等の着脱可能な記録媒体である。外部Ｉ／Ｆ部１０１３は、外部コンピュータ等と通信する。

なお、タイミング信号は撮像システムの外部から供給されてもよく、本実施形態の撮像システムは、少なくとも撮像装置１００４と、撮像装置１００４から出力された撮像信号を処理する信号処理部１００７とを備えていればよい。ＡＤ変換部は、撮像装置１００４の半導体基板に設けられていてもよく、撮像装置１００４の半導体基板とは別の半導体基板に設けられていてもよい。また、撮像装置１００４と信号処理部１００７とは、同一の半導体基板に形成されていてもよい。

（その他の実施形態）
上述の実施形態は本発明の例示に過ぎず、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で実施態様の変更が可能である。上述の実施形態においては、電子を生成する光電変換部１が用いられているが、正孔を生成する光電変換部１が用いられてもよい。この場合、画素１０を構成するトランジスタの導電型は、逆導電型になる。また、トランジスタのソースとドレインは、トランジスタの導電型等に応じて置換され得ることもある。

第１乃至第６実施形態において、第１及び第２の読み出し期間を同じ長さとしているが、第２の読み出し期間の長さを第１の読み出し期間の長さよりも短くしてもよい。一般的に、実信号電荷と比較して偽信号電荷の電荷量は小さいので、偽信号電荷の読み出しのための第２の読み出し期間の長さを第１の読み出し期間の長さよりも短くすることが可能な場合もあるためである。この場合、第１及び第２の読み出し期間の合計時間を短くすることができ、１フレームあたりの時間を短くすることができるため、フレームレートを高速化し得る。また、フレームレートを高速化せずに第２の読み出し期間の長さを第１の読み出し期間の長さよりも短くすることで、第１の読み出し期間に余裕を持たせることにより、消費電力の低減及びノイズの低減を図ることができる。

第３実施形態において、１フレームの露光期間内における光電変換部１から第１保持部２Ａへの複数回の電荷の転送間隔は略同一であるが、それぞれの転送間隔を異ならせてもよい。更に、被写体が明るい場合にはより電荷転送の間隔を短くして転送回数を増加させるなどの制御方法により、被写体の明るさに応じて電荷転送の間隔を動的に制御することも可能である。

第１乃至第６実施形態において、第１転送トランジスタＭ１Ａは、第２の読み出し期間の終了後にオンになることで、光電変換部１から第１保持部２Ａへ電荷を転送している。第１転送トランジスタＭ１Ａがオンになるタイミングは、第２の読み出し期間の終了後であれば適宜設定可能であり、第２の読み出し期間終了直後でもよく、第２の読み出し期間の終了から所定時間経過後であってもよい。

第１乃至第６実施形態において、第１信号又は第２信号が十分に小さい場合、例えば第１の偽信号電荷又は第２の偽信号電荷が小さい場合には、差分を取得する処理を行うことでノイズ成分が増大することもあり得る。このように第１信号又は第２信号が所定の閾値よりも小さい値を有する場合には、撮像装置又は撮像システムは、差分を取得する等の信号処理を行わずに第１の読み出し期間の出力信号をそのまま出力してもよい。

本発明は、上述の実施形態の１以上の機能を実現するプログラムを、ネットワーク又は記憶媒体を介してシステム又は装置に供給し、そのシステム又は装置のコンピュータにおける１つ以上のプロセッサがプログラムを読み出し実行する処理でも実現可能である。また、１以上の機能を実現する回路（例えば、ＡＳＩＣ）によっても実現可能である。

１ 光電変換部
２Ａ 第１保持部
２Ｂ 第２保持部
３ 浮遊拡散部
１０ 画素
Ｍ１Ａ 第１転送トランジスタ
Ｍ１Ｂ 第２転送トランジスタ
Ｍ２Ａ 第３転送トランジスタ
Ｍ２Ｂ 第４転送トランジスタ
Ｍ３ 増幅トランジスタ

Claims (18)

1. 入射光によって生じた電荷の蓄積を行う光電変換部と、前記電荷を保持する第１保持部及び第２保持部と、前記電荷に基づく信号を出力する増幅部と、前記光電変換部と前記第１保持部の間に設けられた第１転送スイッチと、前記光電変換部と前記第２保持部の間に設けられた第２転送スイッチと、前記第１保持部と前記増幅部の間に設けられた第３転送スイッチと、前記第２保持部と前記増幅部の間に設けられた第４転送スイッチと、を各々が有する複数の画素を有し、
   前記第１転送スイッチは、オンに制御されることにより、１フレームの露光期間に前記光電変換部に蓄積された実信号電荷を前記光電変換部から前記第１保持部に転送し、
   前記第２転送スイッチは、前記第４転送スイッチがオフに制御されてから再びオンに制御されるまでの間、オフに維持されることにより、前記実信号電荷を前記光電変換部から前記第２保持部に転送せず、
   前記第３転送スイッチは、前記露光期間の後、オンに制御されることにより、前記第１保持部に転送された前記実信号電荷及び前記第１保持部に蓄積された第１の偽信号電荷を前記第１保持部から前記増幅部に転送し、
   前記第４転送スイッチは、オンに制御されることにより、前記第２保持部に蓄積された第２の偽信号電荷を前記第２保持部から前記増幅部に転送する
   ことを特徴とする撮像装置。
2. 前記複数の画素は、複数の行をなすように配され、
   前記複数の行のうちの同一の行に配された画素に含まれる、前記第３転送スイッチによる転送と、前記第４転送スイッチによる転送は、その間に他の行の画素に対する転送が行われることなく連続して行われ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１転送スイッチは、前記実信号電荷の転送をフレームごとに複数回行うことを特徴とする請求項１又は２に記載の撮像装置。
4. 入射光によって生じた電荷の蓄積を行う光電変換部と、前記電荷を保持する第１保持部及び第２保持部と、前記電荷に基づく信号を出力する増幅部と、前記光電変換部と前記第１保持部の間に設けられた第１転送スイッチと、前記光電変換部と前記第２保持部の間に設けられた第２転送スイッチと、前記第１保持部と前記増幅部の間に設けられた第３転送スイッチと、前記第２保持部と前記増幅部の間に設けられた第４転送スイッチと、を各々が有する複数の画素を有し、
   前記第１転送スイッチは、オンに制御されることにより、１フレームの露光期間に前記光電変換部に蓄積された実信号電荷を前記光電変換部から前記第１保持部に転送し、
   前記第２転送スイッチは、前記光電変換部が前記電荷の蓄積を開始した後であって、前記第１転送スイッチがオフに維持された状態で、一時的にオンになり、
   前記第３転送スイッチは、前記露光期間の後、オンに制御されることにより、前記第１保持部に転送された実信号電荷及び前記第１保持部に蓄積された第１の偽信号電荷を前記増幅部に転送し、
   前記第４転送スイッチは、オンに制御されることにより、前記第２保持部に蓄積された第２の偽信号電荷を前記増幅部に転送する
   ことを特徴とする撮像装置。
5. 前記第１転送スイッチがオンになる回数と、前記第２転送スイッチがオンになる回数とは、フレームごとに同一であることを特徴とする請求項４に記載の撮像装置。
6. 入射光によって生じた電荷の蓄積を行う光電変換部と、前記電荷を保持する第１保持部及び第２保持部と、前記電荷に基づく信号を出力する増幅部と、前記光電変換部と前記第１保持部の間に設けられた第１転送スイッチと、前記光電変換部と前記第２保持部の間に設けられた第２転送スイッチと、前記第１保持部と前記増幅部の間に設けられた第３転送スイッチと、前記第２保持部と前記増幅部の間に設けられた第４転送スイッチと、を各々が有する複数の画素を有し、
   前記第１転送スイッチは、オンに制御されることにより、１フレームにおける第１露光期間に前記光電変換部に蓄積された第１の実信号電荷を前記光電変換部から前記第１保持部に転送し、
   前記第２転送スイッチは、オンに制御されることにより、前記１フレームにおける前記第１露光期間の後の第２露光期間に蓄積された第２の実信号電荷を前記光電変換部から前記第２保持部に転送し、
   前記第３転送スイッチは、前記第１露光期間の後、オンに制御されることにより、前記第１保持部に転送された前記第１の実信号電荷及び前記第１保持部に蓄積された第１の偽信号電荷を前記増幅部に転送し、
   前記第４転送スイッチは、前記第２露光期間の後、オンに制御されることにより、前記第２保持部に転送された前記第２の実信号電荷及び前記第２保持部に蓄積された第２の偽信号電荷を前記増幅部に転送する
   することを特徴とする撮像装置。
7. 前記複数の画素の各々は、前記光電変換部から前記電荷を排出する排出スイッチを有し、
   前記光電変換部による前記電荷の蓄積の開始は、前記排出スイッチが前記光電変換部から前記電荷を排出することによりなされることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の撮像装置。
8. 前記光電変換部は、前記第１転送スイッチ及び前記第２転送スイッチのみから前記電荷を排出し得ることを特徴とする請求項６に記載の撮像装置。
9. 前記第４転送スイッチによる転送が行われる頻度は、前記第３転送スイッチによる転送が行われる頻度よりも小さいことを特徴とする請求項１乃至８のいずれか１項に記載の撮像装置。
10. 前記第３転送スイッチにより、前記第１保持部から前記増幅部へ転送された電荷に基づく第１信号と、前記第４転送スイッチにより、前記第２保持部から前記増幅部へ転送された電荷に基づく第２信号とを用いて信号処理を行う信号処理回路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項に記載の撮像装置。
11. 前記第２信号は、前記第１信号よりも大きいゲインで読み出されることを特徴とする請求項１０に記載の撮像装置。
12. 前記信号処理回路は、前記第１信号と前記第２信号との差分を取得する信号処理を行うことを特徴とする請求項１０又は１１に記載の撮像装置。
13. 前記信号処理回路は、前記第１信号又は前記第２信号が所定の閾値よりも小さい値を有する場合、前記信号処理を行わないことを特徴とする請求項１０乃至１２のいずれか１項に記載の撮像装置。
14. 請求項１乃至１３のいずれか１項に記載の撮像装置と、
    前記撮像装置から出力された信号を処理する信号処理部と
    を有することを特徴とする撮像システム。
15. 請求項１乃至９のいずれか１項に記載の撮像装置と、
    前記撮像装置から出力された信号を処理する信号処理部と
    を有し、
    前記信号処理部は、前記第３転送スイッチにより、前記第１保持部から前記増幅部へ転送された電荷に基づく第１信号と、前記第４転送スイッチにより、前記第２保持部から前記増幅部へ転送された電荷に基づく第２信号とを用いて信号処理を行うことを特徴とする撮像システム。
16. 前記第２信号は、前記第１信号よりも大きいゲインで読み出されることを特徴とする請求項１５に記載の撮像システム。
17. 前記信号処理部は、前記第１信号と前記第２信号との差分を取得する信号処理を行うことを特徴とする請求項１５又は１６に記載の撮像システム。
18. 前記信号処理部は、前記第１信号又は前記第２信号が所定の閾値よりも小さい値を有する場合、前記信号処理を行わないことを特徴とする請求項１５乃至１７のいずれか１項に記載の撮像システム。

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