JP5737921B2 - 固体撮像装置、撮像システム及び固体撮像装置の駆動方法 - Google Patents

Description

本発明は、固体撮像装置、撮像システム及び固体撮像装置の駆動方法に関する。

従来、ＣＭＯＳ型イメージセンサを用いた固体撮像装置において、フォーカルプレーン電子シャッタ機能を備えるものが知られている。電子シャッタ機能とは、各画素内のフォトダイオードが光電変換によって生成した信号電荷の蓄積を開始する前に、信号電荷の蓄積部をリセットすることによってフォトダイオードの電荷蓄積時間を可変とするものである。フォーカルプレーン電子シャッタでは水平同期信号に同期して、２次元配列された多数の画素を画素行毎に順次走査してリセット動作を行い、所定期間経過後、画素に蓄積された信号電荷を行毎に順次読み出し動作を行う。上記「所定期間」とはフォトダイオードの電荷蓄積時間を意味し、水平同期信号の間隔（水平期間）が常に一定であれば、どの行についても電荷蓄積時間は等しくなる。一方、特許文献１に記載されているように、フリッカ雑音を除去するために端数カウントのカウント値を変化させることにより水平期間の長さを変化させる端数調整期間を設け、１垂直期間の長さを調整する技術が知られている。

特開２００４−０２３６１５号公報

フォーカルプレーン電子シャッタ機能を有する固体撮像装置において、特許文献１に記載されるように１垂直期間の長さを調整するために水平期間を変化させた端数調整期間を設けた場合を考える。その場合、電荷蓄積時間に端数調整期間を含んだ領域と、含まない領域で電荷蓄積時間の差が発生してしまう。従って、端数調整期間と通常期間の長さの差が大きれば大きいほど、電荷蓄積時間に端数調整期間を含んだ領域と含まない領域との間の画素信号レベルに段差が発生することになり画質が劣化する課題がある。

本発明の目的は、電荷蓄積時間を均一化することができる固体撮像装置、撮像システム及び固体撮像装置の駆動方法を提供することである。

本発明の固体撮像装置は、光を電荷に変換する光電変換素子を含む画素が行列状に配置された画素部と、アサートされた水平同期信号に基づいて、前記画素部から画素信号を行ごとに順次読み出す読み出し走査回路とを有し、前記画素は、前記光電変換素子がリセットされてから前記読み出し走査回路により前記画素信号が読み出されるまでの時間が電荷蓄積時間であり、前記水平同期信号が第１の間隔でアサートされる期間が第１の水平期間であり、前記第１の間隔よりも長い第２の間隔で前記水平同期信号がアサートされる期間が第２の水平期間であり、垂直同期信号がアサートされる間隔である１垂直期間内に、２つの前記第１の水平期間と該２つの第１の水平期間に隣接して挟まれた前記第２の水平期間とを各々が有する複数の集合が含まれ、前記複数の集合において読み出された前記画素信号が画像を生成するための信号であることを特徴とする。

フォーカルプレーン電子シャッタにおいて、行毎の電荷蓄積時間を精度よく揃えることができる。その結果、行毎の電荷蓄積時間の差に起因する画素信号レベルの差を低減することができ、画質を向上させることができる。

本発明の第１の実施形態による固体撮像装置の処理の概念図である。 本発明の第１の実施形態による固体撮像装置の構成例を示す図である。 端数調整期間の挿入位置と電荷蓄積時間との関係を表した概念図である。 カウントと垂直同期信号と水平同期信号との関係を表した模式図である。 水平カウンタの動作を表すフローチャートである。 垂直カウンタの動作を表すフローチャートである。 垂直カウンタの動作を表すフローチャートである。 カウントと垂直同期信号と水平同期信号との関係を表した模式図である。 垂直カウンタの動作を表すフローチャートである。 端数調整期間の挿入位置と電荷蓄積時間との関係を表した概念図である。 カウントと垂直同期信号と水平同期信号との関係を表した模式図である。 垂直カウンタの動作を表すフローチャートである。 垂直カウンタの動作を表すフローチャートである。 撮像システムの構成例を示すブロック図である。

（第１の実施形態）
図１（Ａ）及び（Ｂ）は、本発明の第１の実施形態による固体撮像装置の処理の原理を説明するための概念図を示す。１０１は比較例を示し、１０２は本実施形態を示す。本実施形態では、１垂直期間を１水平期間分の通常期間で割った余りである端数調整期間を周期的に分散して挿入することで、電荷蓄積時間に含まれる端数調整期間の数を行毎に揃えることを特徴としている。更に、複数の端数調整期間を挿入することで、端数調整期間と通常期間の長さの差を低減することを特徴としている。その結果、行毎の電荷蓄積時間を揃えることができる。図１（Ａ）及び（Ｂ）では、フォーカルプレーン電子シャッタによる電荷蓄積時間を４水平期間として図示している。

本実施形態の効果を分かりやすくするための比較例である図１（Ａ）の比較例１０１では、端数調整期間を１水平期間だけ挿入している。フォーカルプレーン電子シャッタの場合、行毎の電荷蓄積時間は水平期間単位で規定される。従って、行毎の電荷蓄積時間は、４水平期間分の通常期間の和で規定される時間Ｔａと、３水平期間分の通常期間と１水平期間分の端数調整期間の和で規定される時間Ｔｂのいずれかの値を取る。この場合、端数調整期間と通常期間の差が大きいため行毎の電荷蓄積時間の差は端数調整期間の分だけ差が発生してしまう。

また、別の比較例である図１（Ｂ）の比較例１０１では、垂直期間の後半に３水平期間分の端数調整期間を挿入している。従って、図１（Ａ）の比較例１０１に比べて端数調整期間と通常期間の差は１／３に低減している。しかしながら、行毎の電荷蓄積時間は、４水平期間分の通常期間の和で規定される時間Ｔａから１水平期間分の通常期間と３水平期間分の端数調整期間の和で規定される時間Ｔｅの間の値を取る。従って、ＴａとＴｅの差は１垂直期間を１水平期間分の通常期間で割った余りに等しくなり、行毎の電荷蓄積時間の差を低減することはできない。

一方、図１（Ａ）及び（Ｂ）の本実施形態１０２では、３水平期間中に１水平期間の割合で合計３水平期間分の端数調整期間を挿入している。従って、行毎の電荷蓄積時間は３水平期間分の通常期間と１水平期間分の端数調整期間の和で規定される時間Ｔｃと、２水平期間分の通常期間と２水平期間分の端数調整期間の和で規定される時間Ｔｄのいずれかの値を取る。本実施形態では、端数調整期間を３水平期間分挿入したことにより、図１（Ａ）及び（Ｂ）の比較例１０１に比べて、端数調整期間と通常期間の差が１／３に低減している。従って、行毎の電荷蓄積時間の差は１／３に低減することになる。

図２は、本発明の第１の実施形態による固体撮像装置の構成例を示す。図２において、画素部２０１は、入力した光を電荷に変換して蓄積する光電変換素子を含む画素が２次元行列状に配置されている。読み出し走査回路２０３とリセット走査回路２０４は、画素部２０１を水平方向に分割した行を選択するための垂直走査回路である。読み出し走査回路２０３で選択された行を構成する画素に蓄積された信号電荷は、行毎に読み出し回路２０６によって読み出される。これ以降、読み出し走査回路２０３によって画素部２０１における所定行を順次走査し、画素に蓄積された信号電荷を読み出し回路２０６まで読み出す一連の動作を読み出し走査と呼ぶ。また、読み出し回路２０６に読み出された信号を画素信号と呼ぶ。

一方、画素部２０１における所定領域の行をリセット走査回路２０４によって順次走査し、画素に蓄積された電気信号を所定電位にリセットする動作をリセット走査と呼ぶ。所定領域は、読み出し走査回路２０３やリセット走査回路２０４がタイミング生成回路２０２からの信号を入力し、画素部２０１に含まれる全ての行や、一部の行だけに対応するように設定される。電荷を画素に蓄積する電荷蓄積時間は、このリセット走査から読み出し走査までの時間で制御される（フォーカルプレーン電子シャッタ）。

水平走査回路２０５は、画素部２０１の列を選択するための走査回路である。行毎に読み出し回路２０６によって読み出された画素信号は、水平走査回路２０５で選択された列毎に順次出力される。読み出し回路２０６から出力された画素信号は、アナログデジタル（ＡＤ）変換器２０７によってアナログからデジタルに変換される。画像処理部２０８は、デジタルに変換された画素信号に対して、キズ補正やノイズ除去などの様々な画像処理を行う。

読み出し走査回路２０３、リセット走査回路２０４を駆動する垂直走査信号、水平走査回路２０５を駆動する水平走査信号は、タイミング生成回路２０２によって生成される。タイミング生成回路２０２は、同期信号生成部２００から出力される垂直同期信号と水平同期信号に同期して垂直走査信号や水平走査信号を生成する。従って、フォーカルプレーン電子シャッタを制御するリセット走査と読み出し走査のタイミングは、同期信号生成部２００から出力される垂直同期信号と水平同期信号によって決定される。

一方、撮像のフレームレートを６０ｆｐｓとした場合、垂直同期信号の間隔で表される１垂直期間は約１６．７ｍｓとなる。水平同期信号の間隔で表される水平期間を１０μｓとすると、６．７μｓ余ってしまう。このようにフレームレートを一定にする目的で挿入される水平期間が異なる行を端数調整期間と呼ぶ。

本実施形態では、１垂直期間を１水平期間分の通常期間で割った余りの時間を複数の期間に分けた端数調整期間を周期的に挿入することで、行毎の電荷蓄積時間に含まれる端数調整期間の数を揃えることを特徴としている。

図３（Ａ）及び（Ｂ）は、本発明の第１の実施形態による端数調整期間の挿入位置と行毎の電荷蓄積時間との関係を表した概念図を示す。図３では、例として電荷蓄積時間を４水平期間としている。本実施形態では、時刻ｔ１からリセット走査を開始し、時刻ｔ５から読み出し走査を開始するフォーカルプレーン電子シャッタ動作を行っている。１行目の電荷蓄積時間Ｔａは、時刻ｔ１で行うリセット動作３０１から時刻ｔ５で行う読み出し動作３０２までの時間で表される。電荷蓄積時間Ｔａを構成する４水平期間は、２水平期間分の端数調整期間３０３と２水平期間分の通常期間３０４で構成される。一方、２行目の電荷蓄積時間Ｔｂは、時刻ｔ２で行うリセット動作３０１から時刻ｔ６で行う読み出し動作３０２までの期間で表される。電荷蓄積時間Ｔｂを構成する４水平期間は、１水平期間分の端数調整期間３０３と３水平期間分の通常期間３０４で構成される。３行目以降の電荷蓄積時間も同様に考えると、１行目から９行目までの電荷蓄積時間はＴａ、Ｔｂのいずれかの値を取り、１行目から順番にＴａ、Ｔｂ、Ｔｂ、Ｔａ、Ｔｂ、Ｔｂ、Ｔａ、Ｔｂ、Ｔｂとなる。電荷蓄積時間の差Ｔａ−Ｔｂは、端数調整期間３０３と通常期間３０４の差に等しくなる。

本実施形態では、１垂直期間に３水平期間分の端数調整期間を挿入したために、端数調整期間を１水平期間だけ挿入した場合に比べて、端数調整期間と通常期間との差を１／３に低減している。従って、行毎に電荷蓄積時間が異なることによる画素信号の段差は、１／３に低減されることになる。更に、端数調整期間を周期的に分散して挿入するために、電荷蓄積時間が異なる行（電荷蓄積時間がＴａの行とＴｂの行）が分散することによって、画素信号の段差を視覚的に目立たなくする効果がある。

次に、端数調整期間を周期的に分散して挿入する方法について具体的に説明する。図４（Ａ）及び（Ｂ）は、本発明の第１の実施形態による垂直カウンタと水平カウンタのカウントと、垂直同期信号と水平同期信号との関係を表した模式図を示す。図４（Ａ）及び（Ｂ）の模式図は、図２で示した同期信号生成部２００の内部処理について表したものである。

本実施形態では、３水平期間に１期間の割合で水平カウントの異なる端数調整期間を挿入している。図４（Ａ）は、端数調整期間３０３の期間が通常期間３０４よりも長い（Ｎｈ２＞Ｎｈ１）場合を示している。図４（Ｂ）は、端数調整期間３０３の期間が通常期間３０４よりも短い（Ｎｈ２＜Ｎｈ１）場合を示している。垂直カウンタの垂直カウントＣｎｔＶ、周期カウンタの周期カウントＣｎｔＣが０のとき、水平カウンタの水平カウントＣｎｔＨは０から水平カウントＮｈ１までカウントする（通常期間３０４）。以下、垂直カウンタの垂直カウントＣｎｔＶをカウントＣｎｔＶ、周期カウンタの周期カウントＣｎｔＣをカウントＣｎｔＣ、水平カウンタの水平カウントＣｎｔＨをカウントＣｎｔＨという。

カウントＣｎｔＨが水平カウント数Ｎｈ１までカウントすると、カウントＣｎｔＣとカウントＣｎｔＶは１加算されることで１となり、カウントＣｎｔＨは０から水平カウント数Ｎｈ１までカウントする（通常期間３０４）。

カウントＣｎｔＨがＮｈ１までカウントするとカウントＣｎｔＣとカウントＣｎｔＶは１加算されることで２となる。カウントＣｎｔＣが２であるとき、カウントＣｎｔＨは０から通常とは異なる水平カウントであるＮｈ２までカウントする（端数調整期間３０３）。

カウントＣｎｔＨがＮｈ２までカウントするとカウントＣｎｔＣは初期化され０になり、カウントＣｎｔＶは１加算されることで３となり、カウントＣｎｔＨは０から水平カウント数Ｎｈ１までカウントする（通常期間３０４）。

以後、同様にカウントＣｎｔＶが垂直行カウント数１１になるまで繰り返され、カウントＣｎｔＶが１１、カウントＣｎｔＣが２、カウントＣｎｔＨがＮｈ２までカウントするとカウントＣｎｔＶ、ＣｎｔＣ、ＣｎｔＨはそれぞれ０に初期化される。また、ここで１垂直期間とは、カウントＣｎｔＶが０から１１までの１２水平期間をいう。

端数調整期間３０３は１垂直期間の長さを調整するために設けられている。また、通常期間３０４の長さを表すカウントＣｎｔＨの閾値であるＮｈ１は、水平有効画素数と水平ＯＢ画素数と水平ブランキング数との合計で定められる。しかし、端数調整期間３０３の長さを表すカウントＣｎｔＨの閾値であるＮｈ２は、１垂直期間の長さを調整するために定められる。

従って、本実施形態では、１垂直期間内に４水平期間分の端数調整期間３０３を挿入し、端数調整期間３０３の長さを表すカウントＣｎｔＨの閾値であるＮｈ２を変化させることによって１垂直期間の長さを調整している。カウントＣｎｔＨが０に初期化されるタイミングに同期して水平同期信号をアサートする。また、カウントＣｎｔＶが０に初期化されるタイミングに同期して垂直同期信号をアサートする。以上のように、カウントＣｎｔＨ、カウントＣｎｔＶ、カウントＣｎｔＣによって、１垂直期間に所望の周期で端数調整期間３０３を周期的に分散させて挿入することができる。

続いて、カウントＣｎｔＨ、カウントＣｎｔＶ、カウントＣｎｔＣのそれぞれの動作について、フローチャートを用いて詳細に説明をする。図５は、本発明の第１の実施形態による水平カウンタである水平カウントＣｎｔＨの動作を表すフローチャートを示す。撮像の開始により、水平カウンタは、カウントＣｎｔＨを０に初期化する（ステップＳ５１）。続いて、水平カウンタは、周期カウントＣｎｔＣがＮｃであるか否かを判断する（ステップＳ５２）。ここで、Ｎｃは、端数調整期間を何水平期間に１期間挿入するのかを決定する周期を表す閾値である。例えば、図４（Ａ）及び（Ｂ）で示した実施形態では、３水平期間に１期間分の端数調整期間を挿入するので、Ｎｃ＝３−１＝２となる。カウントＣｎｔＣがＮｃであった場合は端数調整期間、Ｎｃでなかった場合は通常期間と判断される。

まず、カウントＣｎｔＣがＮｃでなかった場合のフローについて説明を続ける。水平カウンタは、カウントＣｎｔＣがＮｃでなかった場合は通常期間と判断し、カウントＣｎｔＨがＮｈ１であるか否かを判断する（ステップＳ５３）。水平カウンタは、カウントＣｎｔＨがＮｈ１でなかった場合はカウントＣｎｔＨをインクリメントし（ステップＳ５４）、ステップＳ５２に戻る。水平カウンタは、カウントＣｎｔＨがＮｈ１であった場合は、ステップＳ５１に戻り、カウントＣｎｔＨを０に初期化する。

次に、カウントＣｎｔＣがＮｃであった場合のフローについて説明する。水平カウンタは、カウントＣｎｔＣがＮｃであった場合は端数調整期間と判断し、カウントＣｎｔＨがＮｈ２であるか否かを判断する（ステップＳ５５）。水平カウンタは、カウントＣｎｔＨがＮｈ２でなかった場合はカウントＣｎｔＨをインクリメントし（ステップＳ５４）、ステップＳ５２に戻る。水平カウンタは、カウントＣｎｔＨがＮｈ２であった場合は、ステップＳ５１に戻り、カウントＣｎｔＨを０に初期化する。

図６は、本発明の第１の実施形態による垂直カウンタである垂直カウントＣｎｔＶの動作を表すフローチャートを示す。撮像の開始により、垂直カウンタは、カウントＣｎｔＶを０に初期化する（ステップＳ６１）。続いて、垂直カウンタは、カウントＣｎｔＨが０であるか否かを判断する（ステップＳ６２）。カウントＣｎｔＨが０でなかった場合はステップＳ６２に戻るため、カウントＣｎｔＶはカウントＣｎｔＨが０になるまでホールドされることになる。垂直カウンタは、カウントＣｎｔＨが０であった場合は、カウントＣｎｔＶがＮｖであるか否かを判断する（ステップＳ６３）。ここで、Ｎｖは１垂直期間をいくつの水平期間で構成するかを決定する水平期間数を表す閾値である。例えば、図４（Ａ）及び（Ｂ）で示した実施形態においては、１垂直期間を１２水平期間で構成しているので、Ｎｖ＝１２−１＝１１となる。垂直カウンタは、カウントＣｎｔＶがＮｖでなかった場合は、カウントＣｎｔＶをインクリメントし（ステップＳ６４）、ステップＳ６２に戻る。垂直カウンタは、カウントＣｎｔＶがＮｖであった場合は１垂直期間の終了を意味するため、ステップＳ６１に戻り、カウントＣｎｔＶを０に初期化する。

図７は、本発明の第１の実施形態による周期カウンタである周期カウントＣｎｔＣの動作を表すフローチャートを示す。撮像の開始により、垂直カウンタは、カウントＣｎｔＣを０に初期化する（ステップＳ７１）。続いて、垂直カウンタは、カウントＣｎｔＨが０であるか否かを判断する（ステップＳ７２）。カウントＣｎｔＨが０で無かった場合はステップＳ７２に戻るため、カウントＣｎｔＣはカウントＨが０になるまでホールドされることになる。垂直カウンタは、カウントＣｎｔＨが０であった場合は、カウントＣｎｔＶがＮｖであるか否かを判断する（ステップＳ７３）。垂直カウンタは、カウントＣｎｔＶがＮｖであった場合は１垂直期間の終了を意味するため、ステップＳ７１に戻り、カウントＣｎｔＣを０に初期化する。垂直カウンタは、カウントＣｎｔＶがＮｖでなかった場合は、カウントＣｎｔＣがＮｃであるか否かを判断する（ステップＳ７４）。垂直カウンタは、カウントＣｎｔＣがＮｃで無かった場合は、カウントＣｎｔＣをインクリメントし（ステップＳ７５）、ステップＳ７１に戻る。垂直カウンタは、カウントＣｎｔＣがＮｃあった場合は端数調整期間を挿入する周期の終了を意味するため、ステップＳ７１に戻り、カウントＣｎｔＣを０に初期化する。

上記に示した実施形態に関しては、カウントＣｎｔＨ、カウントＣｎｔＶ、カウントＣｎｔＣがアップカウンタであると説明した。しかし、これらのカウンタがダウンカウンタやグレイコードカウンタであっても本実施形態の効果は変らない。

上記に示した実施形態に関しては、説明の簡略化のために１垂直期間を構成する水平期間の数を９〜１２としていた。しかしながら、実際はその限りではない。例えば、水平１９２０画素、垂直１０８０画素で構成される撮像装置では、１垂直期間を構成する水平期間は１０８０になる。本実施形態のように、３水平期間に１期間の割合で水平カウントの異なる端数調整期間を挿入する場合、端数調整期間の数は３６０となる。従って、本実施形態によると、端数調整期間を１水平期間挿入した場合と比較して、通常期間と端数調整期間の長さの差を１／３６０に低減できる。従って、行毎に電荷蓄積時間が異なることによる画素信号の段差は１／３６０に低減されることになる。つまり、１垂直期間を構成する水平期間の数が大きければ大きいほど、本実施形態によって行毎の電荷蓄積時間の差に起因する画素信号の段差を低減する効果が大きくなる。

また、端数調整期間と通常期間の長さの差｜Ｎｈ２−Ｎｈ１｜をカウントＣｎｔＨの最小分解能（例えば、カウントＣｎｔＨを計数するクロック周期）にすることで、行毎に電荷蓄積時間が異なることによる画素信号の段差を更に低減することができる。

以上のように、同期信号生成部２００は、水平同期信号及び垂直同期信号を生成する。水平同期信号は、通常期間（第１の水平期間）３０４と、通常期間３０４とは異なる長さの端数調整期間（第２の水平期間）３０３とのパルス間隔を有する。リセット走査回路２０４は、水平同期信号に基づいて、光電変換素子に蓄積された電荷をリセットする画素部２０１の行の画素を順次選択してリセットする。読み出し走査回路２０３は、水平同期信号に基づいて、画素部２０１の読み出す行の画素を順次選択して画素信号を読み出す。画素は、リセット走査回路２０４によりリセットされてから読み出し走査回路２０３により読み出されるまでの時間に信号電荷を蓄積する。図１（Ａ）、（Ｂ）及び図３に示すように、垂直同期信号のパルス間隔である１垂直期間内で、水平同期信号は通常期間（第１の水平期間）３０４及び端数調整期間（第２の水平期間）３０３がそれぞれ複数回現れる。端数調整期間（第２の水平期間）３０３は周期的に現れる。

図４（Ａ）及び（Ｂ）に示すように、１垂直期間内で、水平同期信号のパルス間隔である水平期間の数（例えば１２）は、端数調整期間（第２の水平期間）３０３が現れる周期（例えば３周期）の倍数である。また、電荷蓄積時間内で、水平同期信号は通常期間（第１の水平期間）３０４及び端数調整期間（第２の水平期間）３０３の両方が現れる。

同期信号生成部２００は、垂直カウンタと、周期カウンタと、水平カウンタとを有する。垂直カウンタは、図６に示すように、１垂直期間の長さを設定するために水平同期信号のパルス間隔である水平期間の数ＣｎｔＶをカウントする。周期カウンタは、図７に示すように、水平期間の長さを通常期間（第１の水平期間）３０４又は端数調整期間（第２の水平期間）３０３に設定するために水平期間の数ＣｎｔＣを周期的にカウントする。水平カウンタは、図５に示すように、水平期間の長さを通常期間（第１の水平期間）３０４又は端数調整期間（第２の水平期間）３０３に設定するために水平期間の長さＣｎｔＨをカウントする。図４（Ａ）及び（Ｂ）に示すように、周期カウンタの周期カウントＣｎｔＣは、垂直カウンタの垂直カウントＣｎｔＶが０に初期化されるタイミングで０に初期化される。

（第２の実施形態）
本発明の第２の実施形態に関して、第１の実施形態と異なる点を中心に説明を行う。本実施形態では、第１の実施形態で示した周期カウンタである周期カウントＣｎｔＣの動作が異なる。本実施形態によれば、１垂直期間を構成する水平期間の数が端数調整期間を挿入する周期の倍数でなくても行毎の電荷蓄積時間を一定にする効果が大きい。

図８（Ａ）及び（Ｂ）は、本発明の第２の実施形態による垂直カウンタと水平カウンタのカウントと、垂直同期信号と水平同期信号との関係を表した模式図を示す。図８（Ａ）及び（Ｂ）の模式図は、図２で示した同期信号生成部２００の内部処理について表したものである。本実施形態では、３水平期間に１期間の割合で水平カウントの異なる端数調整期間を挿入している。図８（Ａ）は、端数調整期間３０３の期間が通常期間３０４よりも長い（Ｎｈ２＞Ｎｈ１）場合を示している。図８（Ｂ）は、端数調整期間３０３の期間が通常期間３０４よりも短い（Ｎｈ２＜Ｎｈ１）場合を示している。本実施形態では、カウントＣｎｔＶが１垂直期間を表す値である１０までカウントした後で、カウントＣｎｔＣは０に初期化されない点が異なる。カウントＣｎｔＣが０に初期化されないため、端数調整期間を挿入する周期は、垂直期間を跨って連続する。周期カウンタの周期カウントＣｎｔＣは、垂直カウンタの垂直カウントＣｎｔＶが０に初期化されるタイミングでは０に初期化されない。

図９は、本発明の第２の実施形態による周期カウンタである周期カウントＣｎｔＣの動作を表すフローチャートを示す。撮像の開始により、垂直カウンタは、カウントＣｎｔＣを０に初期化する（ステップＳ９１）。続いて、垂直カウンタは、カウントＣｎｔＨが０であるか否かを判断する（ステップＳ９２）。カウントＣｎｔＨが０で無かった場合はステップＳ９２に戻るため、カウントＣｎｔＣはカウントＨが０になるまでホールドされることになる。垂直カウンタは、カウントＣｎｔＨが０であった場合は、カウントＣｎｔＶがＮｖであるか否かを判断する（ステップＳ９３）。垂直カウンタは、カウントＣｎｔＣがＮｃで無かった場合は、カウントＣｎｔＣをインクリメントし（ステップＳ９４）、ステップＳ９１に戻る。垂直カウンタは、カウントＣｎｔＣがＮｃあった場合は端数調整期間を挿入する周期の終了を意味するため、ステップＳ９１に戻り、カウントＣｎｔＣを０に初期化する。

以上より、本実施形態によれば、１垂直期間を構成する水平期間の数が端数調整期間を挿入する周期の倍数でなくても行毎の電荷蓄積時間を一定にする効果が大きくなる。その結果、本実施形態によって行毎の電荷蓄積時間の差に起因する画素信号の段差を低減することができる。

（第３の実施形態）
本発明の第３の実施形態に関して、第１の実施形態と異なる点を中心に説明を行う。本実施形態では、１垂直期間を構成する水平期間の数と、端数調整期間を挿入する周期と、電荷蓄積時間に特徴を持たせることで、行毎の電荷蓄積時間を一致させることができる。

図１０（Ａ）及び（Ｂ）は、本発明の第３の実施形態による端数調整期間の挿入位置と行毎の電荷蓄積時間との関係を表した概念図を示す。図１０（Ａ）及び（Ｂ）では、例として電荷蓄積時間を３水平期間としている。本実施形態では、時刻ｔ２からリセット走査を開始し、時刻ｔ５から読み出し走査を開始するフォーカルプレーン電子シャッタ動作を行っている。１行目の電荷蓄積時間Ｔａは、時刻ｔ２で行うリセット動作３０１から時刻ｔ５で行う読み出し動作３０２までの時間で表される。電荷蓄積時間Ｔａを構成する３水平期間は、１水平期間分の端数調整期間３０３と２水平期間分の通常期間３０４で構成される。この構成は、２行目から９行目までの電荷蓄積時間でも変わらない。

本実施形態のように、１垂直期間を構成する水平期間の数Ｎｖ０、端数調整期間の周期Ｎｃ０、電荷蓄積時間を構成する水平期間数Ｎａ０との関係を以下のようにすることで、行毎の電荷蓄積時間を一致させることができる。
・Ｎｖ０ ＝ Ｍ × Ｎｃ０（Ｍは２以上の自然数）
・Ｎａ０＝ Ｋ × Ｎｃ０（Ｋは自然数）

電荷蓄積時間を構成する水平期間の数Ｎａ０は、端数調整期間（第２の水平期間）３０３が現れる周期Ｎｃ０の倍数である。以上より、本実施形態によれば、１垂直期間の長さを調整するために端数調整期間を挿入した場合であっても、行毎の電荷蓄積時間を一致させることができる。その結果、本実施形態によって行毎の電荷蓄積時間の差に起因する画素信号の段差をなくすことができる。

（第４の実施形態）
本発明の第４の実施形態に関して、第１の実施形態と異なる点を中心に説明を行う。本実施形態では、端数調整期間の数をカウントする端数行カウンタを用いることで、周期的に挿入する端数調整期間の数を制御する点が異なる。本実施形態によれば、周期的に挿入する端数調整期間の数を制御することで、１垂直期間の長さを高精度に調整することができる。

図１１（Ａ）及び（Ｂ）は、本発明の第４の実施形態による垂直カウンタと水平カウンタのカウントと、垂直同期信号と水平同期信号との関係を表した模式図を示す。図１１（Ａ）及び（Ｂ）の模式図は、図２で示した同期信号生成部２００の内部処理について表したものである。本実施形態では、３水平期間に１期間の割合で水平カウントの異なる端数調整期間を挿入している。図１１（Ａ）は、端数調整期間３０３の期間が通常期間３０４よりも長い（Ｎｈ２＞Ｎｈ１）場合を示している。図１１（Ｂ）は、端数調整期間３０３の期間が通常期間３０４よりも短い（Ｎｈ２＜Ｎｈ１）場合を示している。

本実施形態では、端数行カウンタの端数行カウントＣｎｔＬ（以下、カウントＣｎｔＬという）を追加し、周期カウントＣｎｔＣの動作を制御する点が異なる。カウントＣｎｔＬはカウントＣｎｔＶが０に初期化されるタイミングで同様に０に初期化される。カウントＣｎｔＬがインクリメントされるタイミングはカウントＣｎｔＣが２であるときである。カウントＣｎｔＣが２のとき、カウントＣｎｔＨは０から通常とは異なる水平カウントであるＮｈ２までカウントする（端数調整期間３０３）。従って、カウントＣｎｔＬは端数調整期間３０３の数をカウントする動作をする。このカウント動作は、カウントＣｎｔＬが３になるまで繰り返される。カウントＣｎｔＬが３になると、カウントＣｎｔＬはカウントＣｎｔＶが０に初期化されるタイミングまで３のままホールドされる。一方、カウントＣｎｔＣは、カウントＣｎｔＬが３にホールドされている時にはインクリメント動作は行わず、０にホールドされる。以上のようなカウント動作により、図１１（Ａ）及び（Ｂ）では端数調整期間を３水平期間挿入した後は、端数調整期間を挿入しない制御が可能になる。

カウントＣｎｔＬがホールドされる値は、１垂直期間の長さを高精度に調整するために定められる。例えば、端数調整期間と通常期間の長さの差｜Ｎｈ２−Ｎｈ１｜をカウントＣｎｔＨの最小分解能（例えば、カウントＣｎｔＨを計数するクロック周期）にすることで、カウントＣｎｔＨの最小分解能単位で１垂直期間の長さを調整することが可能になる。

以上のように、カウントＣｎｔＨ、カウントＣｎｔＶ、カウントＣｎｔＣ、カウントＣｎｔＬによって、１垂直期間に所望の周期で端数調整期間を周期的に分散させて挿入し、且つ１垂直期間の長さを高精度に調整することができる。

続いて、カウントＣｎｔＣ、カウントＣｎｔＬのそれぞれの動作について、フローチャートを用いて詳細に説明をする。図１２は、本発明の第４の実施形態による周期カウンタである周期カウントＣｎｔＣの動作を表すフローチャートを示す。撮像の開始により、垂直カウンタは、カウントＣｎｔＣを０に初期化する（ステップＳ１２１）。続いて、垂直カウンタは、カウントＣｎｔＨが０であるか否かを判断する（ステップＳ１２２）。カウントＣｎｔＨが０でなかった場合はステップＳ１２２に戻るため、カウントＣｎｔＣはカウントＨが０になるまでホールドされることになる。垂直カウンタは、カウントＣｎｔＨが０であった場合は、カウントＣｎｔＬがＮｌであるか否かを判断する（ステップＳ１２３）。垂直カウンタは、カウントＣｎｔＬがＮｌであった場合は端数調整期間挿入の終了を意味するため、ステップＳ１２１に戻り、カウントＣｎｔＣを０に初期化する。垂直カウンタは、カウントＣｎｔＬがＮｌでなかった場合は、カウントＣｎｔＣがＮｃであるか否かを判断する（ステップＳ１２４）。垂直カウンタは、カウントＣｎｔＣがＮｃでなかった場合は、カウントＣｎｔＣをインクリメントし（ステップＳ１２５）、ステップＳ１２１に戻る。垂直カウンタは、カウントＣｎｔＣがＮｃであった場合は、端数調整期間を挿入する周期の終了を意味するため、ステップＳ１２１に戻り、カウントＣｎｔＣを０に初期化する。

図１３は、本発明の第４の実施形態による端数行カウンタである端数行カウントＣｎｔＬの動作を表すフローチャートを示す。撮像の開始により、垂直カウンタは、カウントＣｎｔＬを０に初期化する（ステップＳ１３１）。続いて、垂直カウンタは、カウントＣｎｔＨが０であるか否かを判断する（ステップＳ１３２）。カウントＣｎｔＨが０でなかった場合はステップＳ１３２に戻るため、カウントＣｎｔＬはカウントＣｎｔＨが０になるまでホールドされることになる。垂直カウンタは、カウントＣｎｔＨが０であった場合は、カウントＣｎｔＣがＮｃであるか否かを判断する（ステップＳ１３３）。カウントＣｎｔＣがＮｃでなかった場合はステップＳ１３２に戻るため、カウントＣｎｔＬはカウントＣｎｔＣがＮｃになるまでホールドされることになる。垂直カウンタは、カウントＣｎｔＣがＮｃであった場合は、カウントＣｎｔＬがＮｌであるか否かを判断する（ステップＳ１３４）。垂直カウンタは、カウントＣｎｔＬがＮｌでなかった場合は、カウントＣｎｔＬをインクリメントし（ステップＳ１３５）、ステップＳ１３２に戻る。垂直カウンタは、カウントＣｎｔＬがＮｌであった場合は、カウントＣｎｔＶがＮｖであるか否かを判断する（ステップＳ１３６）。カウントＶがＮｖでなかった場合は、垂直期間の途中を意味しステップＳ１３６に戻るため、カウントＣｎｔＬはＮｌのままホールドされることになる。垂直カウンタは、カウントＣｎｔＶがＮｖであった場合は、垂直期間の終了を意味するため、ステップＳ１３１に戻り、カウントＣｎｔＬを０に初期化する。

同期信号生成部２００は、端数調整期間（第２の水平期間）３０３の数をカウントする端数行カウンタを有し、図１２に示すように、端数行カウンタのカウント値ＣｎｔＬが設定値Ｎｌに達すると周期カウンタの周期カウントＣｎｔＣが０に初期化される。

以上より、本実施形態によれば、１垂直期間の長さを調整するために端数調整期間を周期的に挿入した場合であっても、端数調整期間の数を制御することができる。つまり、１垂直期間に所望の周期で端数調整期間を周期的に分散させて挿入し、且つ１垂直期間の長さを高精度に調整することができる。

（第５の実施形態）
図１４は、本発明の第５の実施形態による撮像システムの構成例を示すブロック図である。９０１は後述するレンズ９０２のプロテクトを行うバリア、９０２は被写体の光学像を固体撮像装置９０４に結像するレンズ、９０３はレンズ９０２を通過した光量を調整するための絞りである。９０４はレンズ９０２で結像された被写体の光学像を画像信号として取得する固体撮像装置であり、第１〜第４の実施形態の固体撮像装置である。９０５はＡＦセンサである。９０６は固体撮像装置９０４やＡＦセンサ９０５から出力される信号を処理するアナログ信号処理装置、９０７はアナログ信号処理装置９０６から出力された信号をアナログからデジタルに変換するＡ／Ｄ変換器である。９０８はＡ／Ｄ変換器９０７より出力された画像データに対して各種の補正や、データを圧縮するデジタル信号処理部である。９０９は画像データを一時記憶するためのメモリ部、９１０は外部コンピュータなどと通信するための外部Ｉ／Ｆ回路、９１１はデジタル信号処理部９０８などに各種タイミング信号を出力するタイミング発生部である。９１２は各種演算とカメラ全体を制御する全体制御・演算部、９１３は記録媒体制御Ｉ／Ｆ部、９１４は取得した画像データを記録、又は読み出しを行うための半導体メモリなどの着脱可能な記録媒体、９１５は外部コンピュータである。

次に、上記の撮像システムの撮影時の動作について説明する。バリア９０１がオープンされ、ＡＦセンサ９０５から出力された信号をもとに、全体制御・演算部９１２は位相差検出により被写体までの距離を演算する。その後、演算結果に基づいてレンズ９０２を駆動し、再び合焦しているか否かを判断し、合焦していないと判断したときには、再びレンズ９０２を駆動するオートフォーカス制御を行う。次いで、合焦が確認された後に固体撮像装置９０４による電荷蓄積動作が始まる。固体撮像装置９０４の電荷蓄積動作が終了すると、固体撮像装置９０４から出力された画像信号はＡ／Ｄ変換器９０７でアナログからデジタルに変換され、デジタル信号処理部９０８を通り、全体制御・演算部９１２によりメモリ部９０９に書き込まれる。その後、メモリ部９０９に蓄積されたデータは全体制御・演算部９１２の制御により記録媒体制御Ｉ／Ｆ部９１０を介して記録媒体９１４に記録される。また、外部Ｉ／Ｆ部９１０を通り直接コンピュータ９１５などに入力してもよい。

第１〜第４の実施形態の固体撮像装置は、電子カメラ、ビデオカメラなどに利用することができる。固体撮像装置は、フォーカルプレーン電子シャッタにおいて、行毎の電荷蓄積時間を精度よく揃えることができる。その結果、行毎の電荷蓄積時間の差に起因する画素信号レベルの差を低減することができ、画質を向上させることができる。

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。

２００ 同期信号生成部、２０１ 画素部、２０２ タイミング生成回路、２０３ 読み出し走査回路、２０４ リセット走査回路、２０５ 水平走査回路、２０６ 読み出し回路、２０７ ＡＤ変換器、２０８ 画像処理部、３０１ リセット動作、３０２ 読み出し動作、３０３ 端数調整期間、３０４ 通常期間

Claims (13)

1. 光を電荷に変換する光電変換素子を含む画素が行列状に配置された画素部と、
   アサートされた水平同期信号に基づいて、前記画素部から画素信号を行ごとに順次読み出す読み出し走査回路とを有し、
   前記画素は、前記光電変換素子がリセットされてから前記読み出し走査回路により前記画素信号が読み出されるまでの時間が電荷蓄積時間であり、
   前記水平同期信号が第１の間隔でアサートされる期間が第１の水平期間であり、前記第１の間隔よりも長い第２の間隔で前記水平同期信号がアサートされる期間が第２の水平期間であり、
   垂直同期信号がアサートされる間隔である１垂直期間内に、２つの前記第１の水平期間と該２つの第１の水平期間に隣接して挟まれた前記第２の水平期間とを各々が有する複数の集合が含まれ、
   前記複数の集合において読み出された前記画素信号が画像を生成するための信号であることを特徴とする固体撮像装置。
2. 前記第２の水平期間が、前記１垂直期間内に、複数の前記第１の水平期間の間に周期的に設けられることを特徴とする請求項１に記載の固体撮像装置。
3. 前記１垂直期間内において、前記水平同期信号がアサートされる水平期間の数は、前記第２の水平期間が現れる周期の倍数であることを特徴とする請求項１または２に記載の固体撮像装置。
4. 前記電荷蓄積時間を構成する水平期間の数は、前記第２の水平期間が現れる周期の倍数であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の固体撮像装置。
5. 前記電荷蓄積時間内で、前記水平同期信号は前記第１の水平期間及び前記第２の水平期間の両方が現れることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の固体撮像装置。
6. 前記水平同期信号を生成する同期信号生成部をさらに有し、
   前記同期信号生成部は、
   前記１垂直期間の長さを設定するために前記水平同期信号がアサートされる水平期間の数をカウントする垂直カウンタと、
   前記水平期間の長さを前記第１の水平期間又は前記第２の水平期間に設定するために前記水平期間の数を周期的にカウントする周期カウンタと、
   前記水平期間の長さを前記第１の水平期間又は前記第２の水平期間に設定するために前記水平期間の長さをカウントする水平カウンタとを有することを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の固体撮像装置。
7. 前記周期カウンタは、前記垂直カウンタが初期化されるタイミングで初期化されることを特徴とする請求項６に記載の固体撮像装置。
8. 前記周期カウンタは、前記垂直カウンタが初期化されるタイミングでは初期化されないことを特徴とする請求項６に記載の固体撮像装置。
9. 前記同期信号生成部は、前記第２の水平期間の数をカウントする端数行カウンタを有し、前記端数行カウンタのカウント値が設定値に達すると前記周期カウンタが初期化されることを特徴とする請求項６〜８のいずれか１項に記載の固体撮像装置。
10. 前記水平同期信号に基づいて、前記光電変換素子に蓄積された電荷を、前記画素部の行ごとに順次リセットするリセット走査回路をさらに有することを特徴とする請求項１〜９のいずれか１項に記載の固体撮像装置。
11. 光を電荷に変換する光電変換素子を含む画素が行列状に配置された画素部と、
    第１の水平期間と、第２の水平期間とで、異なる長さのパルス間隔の水平同期信号を生成する同期信号生成部と、
    前記水平同期信号に基づいて、前記光電変換素子に蓄積された電荷をリセットする前記画素部の行の画素を順次選択してリセットするリセット走査回路と、
    前記水平同期信号に基づいて、前記画素部の読み出す行の画素信号を読み出す読み出し走査回路とを有し、
    前記画素は、前記リセット走査回路によりリセットされてから前記読み出し走査回路により前記画素信号が読み出されるまでの時間が電荷蓄積時間であり、
    垂直同期信号の間隔である１垂直期間内に、前記水平同期信号は前記第１の水平期間及び前記第２の水平期間をそれぞれ複数回含み、
    前記同期信号生成部は、
    前記１垂直期間の長さを設定するために前記水平同期信号のパルス間隔である水平期間の数をカウントする垂直カウンタと、
    前記水平期間の長さを前記第１の水平期間又は前記第２の水平期間に設定するために前記水平期間の数を周期的にカウントする周期カウンタと、
    前記水平期間の長さを前記第１の水平期間又は前記第２の水平期間に設定するために前記水平期間の長さをカウントする水平カウンタとを有し、
    前記同期信号生成部は、前記第２の水平期間の数をカウントする端数行カウンタを有し、前記端数行カウンタのカウント値が設定値に達すると前記周期カウンタが初期化されることを特徴とする固体撮像装置。
12. 請求項１〜１１のいずれか１項に記載の固体撮像装置と、
    光学像を前記固体撮像装置に結像するレンズと
    を有することを特徴とする撮像システム。
13. 光を電荷に変換する光電変換素子を含む画素が行列状に配置された画素部を有する固体撮像装置の駆動方法であって、
    アサートされた水平同期信号に基づいて、前記画素部から画素信号が行ごとに順次読み出され、
    前記画素は、リセットされてから画素信号が読み出されるまでの時間が電荷蓄積時間であり、
    水平同期信号が第１の間隔でアサートされる期間が第１の水平期間であり、前記第１の間隔よりも長い第２の間隔で前記水平同期信号がアサートされる期間が第２の水平期間であり、
    垂直同期信号がアサートされる間隔である１垂直期間内に、２つの前記第１の水平期間と、該２つの第１の水平期間に隣接して挟まれた前記第２の水平期間とを各々が有する複数の集合を含むように前記水平同期信号をアサートし、
    前記複数の集合において読み出された前記画素信号が画像を生成するための信号であることを特徴とする固体撮像装置の駆動方法。

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