JP5058840B2 - 撮像装置 - Google Patents

Description

本発明は、一括シャッタ機能を有する撮像装置に関する。

固体撮像素子には各種のタイプのものがあり、例えば増幅読み出し機能を有する画素を用いたＭＯＳ型固体撮像素子が従来より知られている。図９は、ＭＯＳ型固体撮像素子の画素構成を示す図である。

図９において、１００は単一画素を示し、１０１は光電変換部であるフォトダイオード（ＰＤ）、１０２はフォトダイオード１０１で発生した信号電荷を信号蓄積部（ＭＥＭ（フローティングディフュージョン））１０３に転送するための転送トランジスタ、１０４はフォトダイオード１０１および信号蓄積部１０３をリセットするためのリセットトランジスタ、１０５は信号蓄積部１０３の電圧レベルを増幅して読み出すための増幅トランジスタ、１０６は画素を選択して増幅トランジスタ１０５の出力を垂直信号線１１４に伝えるための選択トランジスタをそれぞれ示している。このような構成の画素において、フォトダイオード１０１以外の部分は遮光されている。

また、１１０は電源電圧ＶＤＤを印加するための画素電源であり、増幅トランジスタ１０５のドレイン側およびリセットトランジスタ１０４のドレイン側に電気的に接続されている。１１１は１行分の画素をリセットするための行リセットパルスφＲＭｉ（ここに、ｉは行番号を示す整数である。以下、同様。）が印加されるリセット線であり、１行分の画素のリセットトランジスタ１０４のゲートに接続されている。１１２は１行分の画素の信号電荷をそれぞれの画素の信号蓄積部１０３に転送するための行転送パルスφＴＲｉが印加される転送線であり、１行分の画素の転送トランジスタ１０２のゲートにそれぞれ電気的に接続されている。１１３は１行分の画素を選択するための行選択パルスφＳＥｉが印加される選択線であり、１行分の画素の選択トランジスタ１０６のゲートにそれぞれ電気的に接続されている。

また、垂直信号線１１４のそれぞれにはＣＤＳ（相関二重サンプリング）回路１１５が付属して設けられている。このＣＤＳ回路１１５では、信号蓄積部１０３のリセット電位と、信号蓄積部１０３の読み出し信号電位とを減算処理して、リセットノイズ（ＫＴＣノイズともいう）を除去するようになっている（信号蓄積部１０３をリセットしたときに、常に一定の電位になるとは限らず、リセット電位が必ずしも安定していないために、読み出し信号電位を取得する前にリセット電位を取得して、その差分を算出することにより、信号電位のみを取り出すようにしている）。このように４個のトランジスタを用いた画素構成により、光電変換機能、リセット機能、増幅読み出し機能、一時メモリ機能および選択機能を実現している。

そして、このような構成の画素をｍ行×ｎ列に配列して画素アレイを構成しており、図示しない垂直および水平走査回路を用いて、画素信号を１行目からｍ行目まで１行毎に順次選択して読み出し、全画素信号を読み出すという通常のＸＹアドレス読み出し方式が用いられている。

具体的な作用について、図１０および図１１を参照して説明する。図１０はリセットノイズを除去しながらローリングシャッタ読み出しを行うＭＯＳ型固体撮像素子の制御信号を示すタイミングチャート、図１１はリセットノイズを除去しながらローリングシャッタ読み出しを行うＭＯＳ型固体撮像素子の作用を示すフローチャートである。

まず、１行目の各画素に図示していない垂直走査回路から行リセットパルスφＲＭ１（上述したように、ｉ行目の行リセットパルスをφＲＭｉなどと表す。以下、同様。）および行転送パルスφＴＲ１を同時に出力する。これにより、１行目の各画素のフォトダイオード１０１および信号蓄積部１０３がリセットされ、１行目の各画素の露光が開始される。続いて２行目に移り、行リセットパルスφＲＭ２および行転送パルスφＴＲ２を同時に出力して、２行目の露光を開始する。その後、最終行のｍ行目まで同様の動作を順次行う（ステップＳ１０１）。

その後、１行目の露光期間が終了する少し前（図示の時刻ｔ１）に、行リセットパルスφＲＭ１を出力する。このときには選択パルスφＳＥ１も出力されており、１行目の各画素の信号蓄積部１０３のリセット電位がＣＤＳ回路１１５へ出力される（ステップＳ１０２）。

続いて、１行目の露光期間が終了した（図示の時刻ｔ２）ところで、垂直走査回路から１行目の行転送パルスφＴＲ１を出力する（このときには選択パルスφＳＥ１も引き続き出力されている）ことにより、１行目の各画素のフォトダイオード１０１に露光期間内に蓄積された電荷が信号蓄積部１０３へ転送され（ステップＳ１０３）、さらに読み出し電位としてＣＤＳ回路１１５へ出力される（ステップＳ１０４）。

こうしてＣＤＳ回路１１５には１行目の画素のリセット電位と読み出し電位とが揃ったことになるために、これらの差分を取ることにより、リセットノイズが除去された信号電位を得ることができる（ステップＳ１０５）。

その後、２行目からｍ行目までも同様に行うことにより（ステップＳ１０６）、全画素の信号電位の取得が完了する。

しかしながら、このような通常のＸＹアドレス読み出し方式は、露光開始時刻および露光終了時刻が画素アレイの行毎に異なるために、より具体的には、最初に読み出す第１行と最後に読み出す第ｍ行とでは最大で約１フレーム分の時刻が異なるために、高速移動物体を撮影したときに画像が歪むという課題が生じる。

このような通常のＸＹアドレス読み出し方式における上記課題を解決する技術として、一括シャッタ（グローバルシャッタとも称される）読み出し方式がある。この一括シャッタ読み出し方式の動作は、次に説明するように行う。まず、図示していない垂直走査回路から全行の行リセットパルスφＲＭｉ（φＲＭ１〜φＲＭｍ）および全行の行転送パルスφＴＲｉ（φＴＲ１〜φＴＲｍ）を同時に出力する。これにより、全行分の画素のフォトダイオード１０１および信号蓄積部１０３がリセットされる。その後、露光期間が終了する少し前に、信号蓄積部１０３のみを全行分の画素について一括して再度リセットし、露光期間中のリーク電流や斜め光などの漏れ光により発生する電荷等の影響を排除する。そして、一定の信号蓄積期間（露光期間）が終了したところで、垂直走査回路から全行の行転送パルスφＴＲｉ（φＴＲ１〜φＴＲｍ）を同時に出力することにより、全行分の画素のフォトダイオード１０１に露光期間内に蓄積された信号電荷が、信号蓄積部１０３に全行同時に転送される。このような処理によって、全画素の露光開始時刻および露光終了時刻が同一となる一括シャッタ動作が行われる。

こうして信号電荷が信号蓄積部１０３に記憶されたら、その後は、この信号蓄積部１０３に蓄積された信号電荷を１行ずつ順に読み出して行って、１フレームの信号読み出しを行えば良い。

上述したような一括シャッタ読み出し方式においては、露光期間が終了する少し前に信号蓄積部１０３を全行分の画素（つまり全画素）について一括して再度リセットするが、リセット電位の読み出しはライン単位で順次行わなければならないために、このときにリセット電位を読み出すことは不可能である。すなわち、上述した一括シャッタ読み出し方式は、一括シャッタとリセットノイズの除去とを両立することができるものとはなっていない。

これに対して、特開２００２−３４４８０９号公報には、一括シャッタとリセットノイズの除去とを両立する技術が記載されている。該公報に記載の撮像装置は、読み出し信号電位を記憶するための第１のコンデンサと、リセット電位を記憶するための第２のコンデンサと、の両方を各画素に内蔵したものとなっている。これにより、一括シャッタによって読み出した信号は第１のコンデンサに記憶し、全画素を一括してリセットした読み出したリセット電位は第２のコンデンサに記憶することが可能である。従って、全画素の第１および第２のコンデンサへの記憶が終了した後に、ライン単位で各コンデンサの電位を読み出してＣＤＳを行うことにより、リセットノイズを減算処理することが可能となる。
特開２００２−３４４８０９号公報

しかしながら、特開２００２−３４４８０９号公報に記載されたような構成は、１つの画素内に複数のコンデンサが必要であり、さらに例えば１０個あるいはそれ以上の数のトランジスタを設けることになる。従って、撮像素子が大きくかつ高価になるために、放射線撮像装置等の特定用途には向くかもしれないが、小型で高画素かつ比較的安価な撮像素子が必要とされる例えば電子カメラ等の撮像素子として採用するには適しているとは言い難い。

また、フォトダイオード以外の部分が遮光されているとはいえ、画素に強い光が当たっている場合には、リセット電位を記憶するコンデンサと読み出し信号電位を記憶するコンデンサとに雑音信号が発生することがある。この雑音信号は、各コンデンサがリセットされてからの経過時間に応じて値が大きくなる傾向にある。そして、雑音信号が発生した場合には、ブルーミングの発生の原因になったり、あるいは高輝度部分であるにも関わらずＣＤＳ処理後の信号値が小さくなる黒化現象の発生の原因になったりする。

本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、一括シャッタとリセットノイズの除去とを行うことができる小型で安価な撮像装置を提供することを目的としている。

上記の目的を達成するために、本発明による撮像装置は、入射光量に応じた信号を発生させる光電変換部と、上記光電変換部により発生された信号を一時的に保持する信号蓄積部と、上記光電変換部により発生された信号を上記信号蓄積部へ移送するゲート部と、上記信号蓄積部をリセットするリセット部と、上記信号蓄積部の信号を読み出す信号読出部と、を有する画素を二次元状に配列してなる画素部と、上記光電変換部をリセットする第２リセット部と、を備えた固体撮像素子と、上記画素部に入射する光量の分布を検出する光量分布検出部と、上記信号蓄積部を上記リセット部によりリセットさせて、リセットされた直後の該信号蓄積部の信号を上記信号読出部によりリセット信号として読み出させることを、上記検出された光量分布における相対的に光量の多い画素が相対的に光量の少ない画素よりも時間的に後になるように全画素について行わせ、次に、全画素の上記光電変換部を上記第２リセット部により一括してリセットさせ、その後に所定の露光時間が経過したところで全画素の上記光電変換部に発生した入射光量に応じた信号を上記ゲート部により一括して上記信号蓄積部へ移送させ、さらにその後に、上記信号蓄積部の信号を上記信号読出部により読出信号として読み出させることを全画素について行わせるように上記固体撮像素子を駆動する駆動部と、上記読出信号と上記リセット信号との差分を算出する信号処理部と、を具備したものである。

本発明の撮像装置によれば、小型で安価でありながら、一括シャッタとリセットノイズの除去とを行うことが可能となる。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。

［実施形態１］
図１から図８は本発明の実施形態１を示したものであり、図１は本実施形態の撮像装置を適用する電子カメラの概略構成を示す図である。

まず、図１を参照して、本実施形態の撮像装置を適用するカメラシステムの構成例としての、一般的な一眼レフタイプの電子カメラの概略構成について説明する。

この電子カメラは、図１に示すように、カメラ本体１と、撮像光学系２と、絞り機構３と、クイックリターンミラー４と、測光部５と、焦点検出用ミラー６と、焦点検出部７と、固体撮像素子８と、を備えている。

図２は撮像装置の構成を示すブロック図である。この図２に示す撮像装置が、例えば図１に示したような電子カメラ等に適用されることになる。

この撮像装置は、図２に示すように、レンズ１１と、絞り機構１２と、固体撮像素子１３と、Ａ／Ｄ変換器１４と、メモリ１５と、信号処理回路１６と、メモリ１７と、撮像記録用制御装置１８と、記録装置１９と、ＴＧ回路２０と、レンズ制御装置２１と、焦点検出部２２と、測光部２３と、制御装置２４と、を備えている。

レンズ１１は、図１に示した撮像光学系２に対応するものであり、被写体の光学像を結像するためのものである。

絞り機構１２は、図１に示した絞り機構３に対応するものであり、レンズ１１により結像される被写体の光学像に係る光束の通過範囲を規定するものである。

固体撮像素子１３は、図１に示した固体撮像素子８に対応するものであり、絞り機構１２を介してレンズ１１により結像される被写体の光学像を光電変換して電気的な画像信号を出力するものである。

Ａ／Ｄ変換器１４は、固体撮像素子１３から出力されるアナログの画像信号を、デジタルの画像信号に変換するものである。

メモリ１５は、Ａ／Ｄ変換器１４から出力される画像信号を一時的に記憶するものである。

信号処理回路１６は、メモリ１５に記憶される画像信号を読み出して、各種の信号処理を行う信号処理部である。この信号処理回路１６により行われる信号処理には、リセットノイズを除去する処理も含まれている。すなわち、固体撮像素子１３は、後述するように、１画面分の各画素のフォトダイオードから読み出した信号の電位に係る読出信号と、１画面分の各画素の画像蓄積部（フローティングディフュージョン）のリセット電位に係るリセット信号と、を出力するようになっている。そこで、信号処理回路１６は、これらの差分を演算することにより、リセットノイズが除去された画像信号を生成するようになっている。

メモリ１７は、信号処理回路１６が信号処理を行う際に用いられる作業用の記憶領域である。

撮像記録用制御装置１８は、信号処理回路１６により処理された画像信号を記録装置１９に記録する制御を行うためのものである。

記録装置１９は、画像信号を記録して保持する記録媒体等を含んで構成されたものである。

ＴＧ回路２０は、固体撮像素子１３を駆動する駆動信号を生成する駆動部である。

レンズ制御装置２１は、レンズ１１を制御してオートフォーカス等を行うものである。

焦点検出部２２は、図１に示した焦点検出部７に対応するものであり、被写体までの距離に応じた焦点信号を出力するものである。

測光部２３は、図１に示した測光部５に対応するものであり、被写体の輝度に応じた測光信号を出力するものである。

制御装置２４は、撮像装置内の各部を制御する制御部であり、焦点信号演算部および測光信号演算部２５と、光量分布検出部２６と、駆動制御部２７と、を含んで構成されている。

焦点信号演算部および測光信号演算部２５は、焦点検出部２２からの焦点信号に基づき合焦を行うためにレンズ制御装置２１を制御し、また、測光部２３からの測光信号に基づき適正露光の撮像を行うために図示しない絞り制御回路等を介して絞り機構１２を制御しあるいは固体撮像素子１３による露光時間を制御するものである。

光量分布検出部２６は、固体撮像素子１３から得られる画像信号、または測光部２３から得られる測光信号に基づいて、被写体の光量分布を検出するものである。この光量分布検出部２６により検出された情報は、駆動制御部２７へ転送されるようになっている。

駆動制御部２７は、ＴＧ２０を介して固体撮像素子１３の制御を行う駆動部である。この駆動制御部２７は、光量分布検出部２６から転送されてきた情報に基づいて、被写体に高輝度部分があるか否かを判定し、高輝度部分があると判定した場合には、その高輝度部分が撮像素子上のどの位置に対応するかを演算し、図６、図７等を参照して後述するように、固体撮像素子１３の各ラインの信号蓄積部をどの順序でリセットし、かつ、各ラインの信号蓄積部をどの順序で読み出すかを制御するようになっている。

図３は固体撮像素子の構成を示す図である。

図３において、５０は画素部であり、画素５０ａをＰ１１〜Ｐ６６で示すような２次元状の６×６に配列した場合の構成を示している。

５１は垂直走査回路であり、行（ライン）単位で画素を選択するものである。この垂直走査回路５１により選択された行の画素の信号は、列毎に設けられている垂直信号線５４へ出力されるようになっている。

５２は垂直走査回路制御部であり、ＴＧ回路２０からの駆動制御信号により、画素部５０中のどのライン順に垂直走査回路５１に選択させるかを制御するものである。

５３は水平読み出し回路であり、垂直走査回路５１により選択されて垂直信号線５４に出力された１行分の画素の信号を、取り込みパルスφＴ１で制御される取込スイッチ５５を介して取り込み、その行の画素の信号を水平方向の画素並びの順で時系列に出力端子５６から出力するものである。

５７は垂直信号線５４に接続された電流源（ＶＤＤ）である。

次に、図４は図３に示した固体撮像素子における１画素分の回路構成を示す図である。

図４において、ＰＤは光電変換部であり、ＭＥＭは光電変換部ＰＤの信号を一時的に保持する信号蓄積部（フローティングディフュージョン）である。ここで、信号蓄積部ＭＥＭは遮光されており、画素部５０に光が入射されていても、信号蓄積部ＭＥＭに保持されている信号は変化しないようになっている。

Ｍ１は光電変換部ＰＤをリセットする第２リセット部として機能するトランジスタであり、ＰＤリセットパルスφＲＰＤにより制御される。

Ｍ２は光電変換部ＰＤの信号を信号蓄積部ＭＥＭへ転送するゲート部として機能するトランジスタであり、転送パルスφＴＲにより制御される。

Ｍ４は増幅部として機能する増幅用トランジスタであり、垂直信号線５４に設けられた電流源（ＶＤＤ）５７とでソースフォロアンプを構成する。信号蓄積部ＭＥＭの信号は、増幅用トランジスタＭ４により増幅され、信号読出部として機能する選択トランジスタＭ５を介して垂直信号線５４に出力される。選択トランジスタＭ５は、選択パルスφＳＥにより制御される。

Ｍ３は信号蓄積部ＭＥＭおよび増幅用トランジスタＭ４の入力部をリセットするリセット部として機能するトランジスタであり、リセットパルスφＲＭにより制御されるようになっている。

図５は、図４に示した画素の回路構成の変形例を示す図である。

すなわち、図４に示した構成例では、ＰＤリセットパルスφＲＰＤの制御により光電変換部ＰＤをリセットするためのトランジスタＭ１が、各画素の内部にそれぞれ設けられていたが、この図５に示す変形例では、１ライン上の各画素に共通して１つだけ設けられたものとなっている。

また、この図５は、単板式のカラー固体撮像素子を想定したものとなっており、図中の左側の画素５０ａは緑（Ｇｒ）のカラーフィルタが前面に配置される光電変換部ＰＤ、図中の右側の画素５０ａは赤（Ｒ）のカラーフィルタが前面に配置される光電変換部ＰＤとなっている。

なお、１ライン（行）の画素数が多くなると共通するトランジスタの負荷が大きくなるために、適宜の複数画素毎に１トランジスタ（例えば、４画素毎に１トランジスタ）というように、光電変換部ＰＤをリセットするためのトランジスタを配置するようにしても良い。

次に、図２に示した撮像装置の動作について、図６も参照しながら説明する。ここに図６は、撮影画角の左上に高輝度部がある被写体を撮像するときのリセット信号の読み出し順および読出信号の読み出し順を説明するための図である。

本実施形態における撮影シーケンスとしては、予備撮影により固体撮像素子１３から得られる画像信号に基づいて画素部５０の光量分布を検出し、本撮影時における各読み出しライン（ここでは、１ラインを読出単位群としているが、後述するようにこれに限るものではない。）の読み出し順を設定する場合と、測光部２３から得られる測光信号に基づいて、画素部５０の各読み出しラインの光量分布を検出し、撮影時における画素部５０の各読み出しラインの読み出し順を設定する場合と、の２つのケースがある。

最初に、予備撮影により得られる画像信号に基づいて画素部５０の光量分布を検出し、本撮影時における各読み出しライン（読出単位群）の読み出し順を設定する動作について説明する。まず、本実施形態に係る固体撮像素子１３を用いて、本撮影に先立ち予備撮影を実行する。そして、この予備撮影時の固体撮像素子１３からの撮像信号を信号処理回路１６を介して光量分布検出部２６で受け取り、画素部５０の光量分布を検出する。この際、光量分布検出部２６では、画素部５０の各ライン毎に、それぞれの光量の平均値またはピーク値を求める。

光量分布検出部２６により検出された各ラインの光量の平均値またはピーク値は、駆動制御部２７に入力される。駆動制御部２７は、各ラインの光量の平均値またはピーク値が、信号の劣化許容レベルあるいは偽信号の発生有無を考慮して決められた閾値を越えているか否かをライン毎に判定する。

さらに、駆動制御部２７は、光量の平均値またはピーク値が閾値を越えるラインが１つ以上あると判定した場合には、閾値を超えるラインが画素部５０の上半分と下半分との何れにより多く属しているかをさらに判定する。

ここで、光量の平均値またはピーク値が閾値を越えるラインが画素部５０には１つもないと判定した場合、または閾値を超えるラインが画素部５０の上半分と下半分とで同一であると判定した場合には、駆動制御部２７は、リセット信号の読み出し順および読出信号の読み出し順が通常の場合と同一になるようにＴＧ回路２０へ制御信号を送信する。ここに、通常の読み出しの場合には、リセット信号の読み出し順と読出信号の読み出し順とは同一である。具体的には、レンズ１１を介して固体撮像素子１３上に結像される被写体像は図６に示すように上下左右が反転した光学像となるために、駆動制御部２７は、例えば、画素部５０の最下行のラインから上へ向かって順にリセット信号を読み出すようにＴＧ回路２０へ制御信号を送信し、かつ、画素部５０の最下行のラインから上へ向かって順に読出信号を読み出すようにＴＧ回路２０へ制御信号を送信する。

また、駆動制御部２７は、閾値を超えるラインが画素部５０の下半分により多く属していると判定した場合（図６に示すような被写体の例の場合）には、画素部５０の最上行（図６の１行目）のラインから下へ向かって順にリセット信号を読み出すようにＴＧ回路２０へ制御信号を送信し、かつ、画素部５０の最下行（図６のｍ行目）のラインから上へ向かって順に読出信号を読み出すようにＴＧ回路２０へ制御信号を送信する（図６参照）。この場合には、読出信号の読み出し順は、リセット信号の読み出し順とは逆である。

さらに、駆動制御部２７は、閾値を超えるラインが画素部５０の上半分により多く属していると判定した場合には、画素部５０の最下行のラインから上へ向かって順にリセット信号を読み出すようにＴＧ回路２０へ制御信号を送信し、かつ、画素部５０の最上行のラインから下へ向かって順に読出信号を読み出すようにＴＧ回路２０へ制御信号を送信する。この場合にも、読出信号の読み出し順は、リセット信号の読み出し順とは逆である。

そして、本撮影時には、駆動制御部２７の指示通りの読み出し順序で画素部５０の各ラインの読み出しが行われるように、ＴＧ回路２０から固体撮像素子１３へ駆動信号が送信される。これにより、光量分布に基づく指示通りの読み出し順で各ラインの読み出しが行われる。

なお、上述した予備撮影においては全画素の信号を読み出す必要はなく、適宜に間引いて読み出すようにすることも可能である。この場合には、予備撮影の時間を短縮することができる利点がある。

次に、測光部２３の測光信号に基づいて画素部５０の光量分布を検出し、検出した光量分布に基づき画素部５０の各ラインの読み出し順を設定して撮影を行う場合の動作について説明する。

この場合には、画素部５０の上半分および下半分に対応して測光部２３を２つの領域（測光上領域、測光下領域）に分割しておくものとする（ただし、測光部２３が実際に２分割構成である必要はなく、信号処理により２分割構成として取り扱うことができれば足りる）。まず、撮影に先立ち、測光部２３により被写体の測光を行い、測光部２３の２つの領域からの測光信号を焦点信号演算部および測光信号演算部２５を介して光量分布検出部２６により受け取る。光量分布検出部２６は、測光部２３からの測光信号に基づいて画素部５０の光量分布を検出し、各領域の光量の平均値またはピーク値を求める。

光量分布検出部２６は、測光信号に基づいて検出された画素部５０の２つの領域の光量の平均値またはピーク値が、信号の劣化許容レベルあるいは偽信号の発生有無を考慮して決められた閾値を越えているか否かを判定する。

そして、光量の平均値またはピーク値が閾値を越える領域が１つである場合は、駆動制御部２７は、画素部５０の閾値を超えていない領域の端のラインから閾値を超えている領域の端のラインへ向かって順にリセット信号を読み出すように、かつ、画素部５０の閾値を超えている領域の端のラインから閾値を超えていない領域の端のラインへ向かって順に読出信号を読み出すように、撮影時にＴＧ回路２０へ制御信号を送信する。

また、測光上領域と測光下領域の何れもが光量の平均値またはピーク値が閾値を越え、かつその値が２つの領域で同一でない場合は、駆動制御部２７は、平均値またはピーク値のより小さい領域の端のラインから平均値またはピーク値のより大きい領域の端のラインへ向かって順にリセット信号を読み出すように、かつ、平均値またはピーク値のより大きい領域の端のラインから平均値またはピーク値のより小さい領域の端のラインへ向かって順に読出信号を読み出すように、撮影時にＴＧ回路２０へ制御信号を送信する。

一方、光量の平均値またはピーク値が閾値を越える領域がない場合、または測光上領域と測光下領域の何れもが光量の平均値またはピーク値が閾値を越えるがその値が同一である場合には、駆動制御部２７は、撮影時に、通常通りのライン順にリセット信号および読出信号を読み出すように、ＴＧ回路２０へ制御信号を送信する。

そして、撮影時には、駆動制御部２７の指示通りの読み出し順序で画素部５０の各ラインの読み出しが行われるように、ＴＧ回路２０から固体撮像素子１３へ駆動信号が送信される。これにより、光量分布に基づく指示通りの読み出し順で各ラインの読み出しが行われる。

次に、図７は図６に示すような被写体を撮像するときの固体撮像素子１３の制御信号を示すタイミングチャート、図８は撮像装置の作用を示すフローチャートである。

図４または図５において、リセット信号を読み出そうとするラインのリセットパルスφＲＭを“Ｈ”レベルにすると、信号蓄積部ＭＥＭがリセットされる。このときに、選択パルスφＳＥを“Ｈ”レベルにしていると、信号蓄積部ＭＥＭのリセット電位Ｖｒｓｔｉが、増幅用トランジスタＭ４により増幅されて、選択トランジスタＭ５を介して垂直信号線５４へリセット信号として出力される。その後は、取込スイッチ５５および水平読み出し回路５３を介して、出力端子５６からリセット信号が出力される。図６に示すような被写体の場合には、固体撮像素子１３の下部側に高輝度部分が存在するために、リセット信号の読み出しは上述したように１行目〜ｍ行目の順序で（Ｖｒｓｔ１〜Ｖｒｓｔｍの順序で）行われる（ステップＳ１）。

続いて、全画素のＰＤリセットパルスφＲＰＤを“Ｈ”レベルにすると光電変換部ＰＤがリセットされ（ステップＳ２）、その後に全画素のＰＤリセットパルスφＲＰＤを同時に“Ｌ”レベルにしたところで入射光により発生する電荷の蓄積が全画素の光電変換部ＰＤにおいて同時に開始される（一括シャッタの開始）（ステップＳ３）。

そして、所定の露光時間が経過したところで、全画素の転送パルスφＴＲを同時に“Ｈ”レベルにすることにより、それまでに光電変換部ＰＤに蓄積された電荷（電位Ｖｒｄｉ）が信号蓄積部ＭＥＭへ転送され（一括シャッタの終了）（ステップＳ４）、電荷が信号蓄積部ＭＥＭにより保持される（ステップＳ５）。

その後、読出信号を読み出そうとするラインの選択パルスφＳＥを“Ｈ”レベルにすると、信号蓄積部ＭＥＭに保持されている信号電荷が、増幅用トランジスタＭ４により増幅されて、選択トランジスタＭ５を介して垂直信号線５４へ読出信号として出力される。その後は、取込スイッチ５５および水平読み出し回路５３を介して、出力端子５６から読出信号が出力される。図６に示すような被写体の場合には、読出信号の読み出し順は、リセット信号の読み出し順とは逆であるために、ｍ行目〜１行目の順序で（Ｖｒｄｍ〜Ｖｒｄ１の順序で）行われることになる（ローリング読み出し）（ステップＳ６）。

このようにして、一括シャッタの動作、つまり全画素の蓄積開始時刻および蓄積終了時刻が同一であるシャッタ動作が行われるが、高輝度部分については、リセット信号の取得時刻と読出信号の取得時刻との時間差が、低輝度部分よりも短くなる。従って、高輝度部分においてより多く発生すると考えられる露光期間中のリーク電流や斜め光などの漏れ光により発生する電荷等の影響を、できるだけ軽減することが可能となる。

その後、信号処理回路１６は、全画素のリセット信号および全画素の読出信号が得られたところで、制御装置２４の制御に基づいて、リセット信号の画素位置と読出信号の画素位置とを照合しながら、同一画素に係るリセット信号と読出信号との差分信号を、全画素について算出する。これにより、リセットノイズが除去される（ステップＳ７）。

そして、信号処理回路１６は、通常の画像信号と同様の信号処理を行うことができるように、差分信号を固体撮像素子１３の画素配列に従った画素順に並べ替えて、その後の信号処理を行う。

なお、上述では、ライン順に上から下へ、またはライン順に下から上へ、リセット信号と読出信号とを読み出すようにしているが、もしより高い精度で制御することが可能である場合には、ライン毎の光量の平均値またはピーク値が低い方から高い方へ向かって順にリセット信号を読み出し、かつ平均値またはピーク値が高い方から低い方へ向かって順に読出信号を読み出すようにしても良い。この場合には、信号の劣化や偽信号が発生し易い光量の大きいラインが先に読み出されるようになるために、信号の劣化や偽信号の発生を極力抑制することが可能になると共に、閾値判定が不要となって駆動制御部２７の処理不可が軽減される利点がある。

さらに、上述では、主にライン単位でリセット順および読み出し順を制御するようにしていたが、これに限るものではなく、ブロック領域単位で制御しても構わない。具体的には、画素部５０を、例えば図３に示すような領域Ａ，領域Ｂ，領域Ｃの３つの領域（読出単位群）に分割する（ただし、３つの領域に分割するのは単なる一例であり、任意の数の領域に分割可能であることはもちろんである）。さらに、この画素部５０の領域Ａ，Ｂ，Ｃに各対応するように、測光部２３を３つの領域Ａ’，Ｂ’，Ｃ’に分割しておく。

そして、光量分布検出部２６は、予備撮影を行うときには、画素部５０の各領域Ａ，Ｂ，Ｃ毎にそれぞれの光量の平均値またはピーク値を求める。また、予備撮影を行わないときには、測光部２３により被写体の測光を行って、測光部２３の領域Ａ’，Ｂ’，Ｃ’からの測光信号を焦点信号演算部および測光信号演算部２５を介して光量分布検出部２６が受け取る。そして、光量分布検出部２６は、測光部２３からの測光信号に基づいて、画素部５０の光量分布を検出し、各領域Ａ，Ｂ，Ｃ毎にそれぞれの光量の平均値またはピーク値を求める。

そして、駆動制御部２７が、この光量分布検出部２６により検出された各領域Ａ，Ｂ，Ｃの光量の平均値またはピーク値に基づいて、これらの領域Ａ，Ｂ，Ｃをどの順序で駆動するかを上述したライン単位で読み出しを行う場合と同様に決定する。すなわち、駆動制御部２７は、リセット信号を読み出すときには高輝度部分が存在する領域が後の順序になるように、かつ、読出信号を読み出すときには高輝度部分が存在する領域が先の順序になるように、読み出し順を決定する（ただし、この順序は領域同士の順序であり、１つの領域内におけるライン単位の読出順序は、通常の読出順序と同様であるものとする）。そして、垂直走査回路制御部５２は、ＴＧ回路２０からの駆動制御信号に基づいて、画素部５０の各領域Ａ，Ｂ，Ｃを駆動制御部２７により決定された順序で垂直走査回路５１により選択させるように制御する。その後の動作は、読み出し順序をライン単位で制御する場合とほぼ同様である。

なお、このときにも、上述したライン単位の場合と同様に、光量の平均値またはピーク値が閾値を越えるか否かの判定結果に基づき各領域の読み出し順を制御するようにしても良いが、閾値の設定を行うことなく、光量の大きい領域から順に読み出すように駆動制御しても構わない。

また、さらに、画素部５０を垂直方向に並ぶ複数の領域に区分するに限るものではなく、水平方向に並ぶ複数の領域に区分しても良いし、格子状に複数の領域に区分しても構わない。あるいは、領域単位で読み出すに限るものではなく、画素単位で読み出しても構わない。

このような実施形態１によれば、一括シャッタとリセットノイズの除去とを両立することができる。そして、撮像素子内に複数の画像蓄積部を設ける必要がなく、かつ撮像素子内に多数のトランジスタを形成する必要もないために、撮像素子の大型化や高価格化を抑制することができる。

さらに、予備撮影または測光部による測光を撮影に先立って行い、被写体の光量分布を予め検出し、信号の劣化や偽信号の発生し易い読出単位群におけるリセット信号の取得時刻と読出信号の取得時刻とをなるべく近接させるように読み出し順を制御したために、本撮影における信号の劣化や偽信号の発生を極力抑制することができる。

なお、本発明は上述した実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化することができる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成することができる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除しても良い。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせても良い。このように、発明の主旨を逸脱しない範囲内において種々の変形や応用が可能であることは勿論である。

本発明の実施形態１の撮像装置を適用する電子カメラの概略構成を示す図。 上記実施形態１の撮像装置の構成を示すブロック図。 上記実施形態１の固体撮像素子の構成を示す図。 上記図３に示した固体撮像素子における１画素分の回路構成を示す図。 上記図４に示した画素の回路構成の変形例を示す図。 上記実施形態１において、撮影画角の左上に高輝度部がある被写体を撮像するときのリセット信号の読み出し順および読出信号の読み出し順を説明するための図。 上記図６に示すような被写体を撮像するときの固体撮像素子の制御信号を示すタイミングチャート。 上記実施形態１の撮像装置の作用を示すフローチャート。 従来のＭＯＳ型固体撮像素子の画素構成を示す図。 従来における、リセットノイズを除去しながらローリングシャッタ読み出しを行うＭＯＳ型固体撮像素子の制御信号を示すタイミングチャート。 従来における、リセットノイズを除去しながらローリングシャッタ読み出しを行うＭＯＳ型固体撮像素子の作用を示すフローチャート。

符号の説明

１…カメラ本体
２…撮像光学系
３…絞り機構
４…クイックリターンミラー
５…測光部
６…焦点検出用ミラー
７…焦点検出部
８…固体撮像素子
１１…レンズ
１２…絞り機構
１３…固体撮像素子
１４…Ａ／Ｄ変換器
１５，１７…メモリ
１６…信号処理回路（信号処理部）
１８…撮像記録用制御装置
１９…記録装置
２０…ＴＧ回路（駆動部）
２１…レンズ制御装置
２２…焦点検出部
２３…測光部
２４…制御装置
２５…焦点信号演算部・測光信号演算部
２６…光量分布検出部
２７…駆動制御部（駆動部）
５０…画素部
５０ａ…画素
５１…垂直走査回路
５２…垂直走査回路制御部
５３…水平読み出し回路
５４…垂直信号線
５５…取込スイッチ
５６…出力端子
５７…電流源
ＰＤ…光電変換部
ＭＥＭ…信号蓄積部
Ｍ１…トランジスタ（第２リセット部）
Ｍ２…トランジスタ（ゲート部）
Ｍ３…トランジスタ（リセット部）
Ｍ４…増幅用トランジスタ（増幅部）
Ｍ５…選択トランジスタ（信号読出部）

Claims (8)

1. 入射光量に応じた信号を発生させる光電変換部と、上記光電変換部により発生された信号を一時的に保持する信号蓄積部と、上記光電変換部により発生された信号を上記信号蓄積部へ移送するゲート部と、上記信号蓄積部をリセットするリセット部と、上記信号蓄積部の信号を読み出す信号読出部と、を有する画素を二次元状に配列してなる画素部と、上記光電変換部をリセットする第２リセット部と、を備えた固体撮像素子と、
   上記画素部に入射する光量の分布を検出する光量分布検出部と、
   上記信号蓄積部を上記リセット部によりリセットさせて、リセットされた直後の該信号蓄積部の信号を上記信号読出部によりリセット信号として読み出させることを、上記検出された光量分布における相対的に光量の多い画素が相対的に光量の少ない画素よりも時間的に後になるように全画素について行わせ、次に、全画素の上記光電変換部を上記第２リセット部により一括してリセットさせ、その後に所定の露光時間が経過したところで全画素の上記光電変換部に発生した入射光量に応じた信号を上記ゲート部により一括して上記信号蓄積部へ移送させ、さらにその後に、上記信号蓄積部の信号を上記信号読出部により読出信号として読み出させることを全画素について行わせるように上記固体撮像素子を駆動する駆動部と、
   上記読出信号と上記リセット信号との差分を算出する信号処理部と、
   を具備したことを特徴とする撮像装置。
2. 上記駆動部は、さらに、上記信号蓄積部の信号を上記信号読出部により読出信号として読み出させることを、上記検出された光量分布における相対的に光量の多い画素が相対的に光量の少ない画素よりも時間的に先になるように全画素について行わせるように上記固体撮像素子を駆動するものであることを特徴とする請求項１に記載の撮像装置。
3. 上記画素部は複数の読出単位群に分割されており、
   上記光量分布検出部は、上記画素部に入射する光量の分布を、上記読出単位群毎に検出するものであり、
   上記駆動部は、上記信号蓄積部を上記リセット部によりリセットさせて、リセットされた直後の該信号蓄積部の信号を上記信号読出部によりリセット信号として読み出させることを、上記検出された光量分布における相対的に光量の多い読出単位群に属する画素が相対的に光量の少ない読出単位群に属する画素よりも時間的に後になるように全画素について行わせるように上記固体撮像素子を駆動するものであることを特徴とする請求項１に記載の撮像装置。
4. 上記駆動部は、さらに、上記信号蓄積部の信号を上記信号読出部により読出信号として読み出させることを、上記検出された光量分布における相対的に光量の多い読出単位群に属する画素が相対的に光量の少ない読出単位群に属する画素よりも時間的に先になるように全画素について行わせるように上記固体撮像素子を駆動するものであることを特徴とする請求項３に記載の撮像装置。
5. 上記画素部は、上記画素を行および列として二次元状に配列したものであり、
   上記光量分布検出部は、上記画素部に入射する光量の分布を、上記配列順における上位側の行群と下位側の行群とに分けて検出するものであり、
   上記駆動部は、上記信号蓄積部を上記リセット部によりリセットさせて、リセットされた直後の該信号蓄積部の信号を上記信号読出部によりリセット信号として読み出させることを、上記上位側の行群の光量が上記下位側の行群の光量よりも少ないときには、上記配列順における上位端から下位端へ向かって行単位で該配列順に、上記上位側の行群の光量が上記下位側の行群の光量よりも多いときには、上記配列順における下位端から上位端へ向かって行単位で該配列の逆順に、全行について順次行わせるように上記固体撮像素子を駆動するものであることを特徴とする請求項１に記載の撮像装置。
6. 上記駆動部は、さらに、上記信号蓄積部の信号を上記信号読出部により読出信号として読み出させることを、上記リセット部によるリセットの順序と逆順になるように、行単位で全行について順次行わせるように上記固体撮像素子を駆動するものであることを特徴とする請求項５に記載の撮像装置。
7. 上記第２リセット部は、上記画素部の画素それぞれの内部に設けられたものであることを特徴とする請求項１に記載の撮像装置。
8. 上記第２リセット部は、上記画素部の複数の画素毎に設けられたものであることを特徴とする請求項１に記載の撮像装置。

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