JP5854652B2

JP5854652B2 - 撮像装置

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Publication number: JP5854652B2
Application number: JP2011130297A
Authority: JP
Inventors: 俊行 ▲高▼田
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 2011-06-10
Filing date: 2011-06-10
Publication date: 2016-02-09
Anticipated expiration: 2031-06-10
Also published as: JP2012257172A

Description

本発明は、撮像装置に関する。

近年、デジタルカメラの高感度化に伴い、各種の画像処理等に係るデジタル信号処理を行う前に撮像信号の増幅を行うようになっている。さらに、撮像素子の画素数の増加に伴い、撮像素子からの撮像信号の読み出し速度の高速化も要求されている。例えば、下記の特許文献１では、イメージセンサの出力信号の増幅に、増幅回路を２段縦続接続して構成した相関二重サンプリング回路と、可変増幅器と、ＡＤコンバータとで構成されるアナログフロントエンド回路が用いられている。

特開２００６−１５７３３５号公報

しかしながら、特許文献１に開示された技術では、撮像素子からの撮像信号が２段縦続に接続された増幅回路を経由するため、増幅回路の駆動から生じる熱雑音によって、撮影感度を低く設定した状態（低ＩＳＯ感度）での撮影時にＳ／Ｎ比の劣化が懸念される。

本発明の目的は、２段縦続に接続された増幅回路により撮像信号の増幅を行う撮像素子を用い、撮影感度を低く設定した状態での撮影時に良好な画質の撮像信号が得られる撮像装置を提供することである。

本発明に係る撮像装置は、光電変換により入射光に応じた電荷を生成する光電変換素子を含む複数の画素と、前記複数の画素からの撮像信号を列毎に出力する列出力線と、前記列出力線を介して入力される信号を増幅し出力する第１の増幅回路と、前記第１の増幅回路の出力信号を増幅し出力する第２の増幅回路と、前記第１の増幅回路の出力信号又は前記第２の増幅回路の出力信号を選択して出力する出力制御手段とを備える撮像素子と、前記撮像素子の出力信号を増幅する第３の増幅回路と、前記出力制御手段を制御して前記第２の増幅回路を経由せずに前記画素からの撮像信号を読み出す第１の読み出しモードと、前記出力制御手段を制御して前記第２の増幅回路を経由して前記画素からの撮像信号を読み出す第２の読み出しモードとを切り替える制御手段と、撮影感度に応じて前記第１の読み出しモードと前記第２の読み出しモードとを切り替える第１の動作モードと、前記撮影感度にかかわらず前記第１の読み出しモードで動作する第２の動作モードとのいずれかに設定する設定手段とを有し、前記第２の動作モードにおいて、前記第１の増幅回路により前記撮影感度に応じた所望の増幅率で前記撮像素子の出力信号を増幅できない場合には、前記第３の増幅回路により前記撮像素子の出力信号を増幅することを特徴とする。

本発明によれば、画素からの撮像信号を第１の増幅回路のみを介して読み出すか、第１の増幅回路及び第２の増幅回路を介して読み出すかを切り替えることができる。したがって、撮影感度を低く設定した状態での撮影時には、第２の増幅回路を経由せずに撮像信号を読み出すことで、Ｓ／Ｎ比の劣化を抑制し、良好な画質の撮像信号を得ることができる。

本発明の第１の実施形態による撮像装置の構成例を示す図である。第１の実施形態における撮像素子の構成例を示す図である。第１の実施形態における画素の構成例を示す図である。第１の実施形態における列回路の構成例を示す図である。第１の実施形態における撮像素子の駆動タイミングの一例を示すタイミングチャートである。第２の実施形態における撮像素子の駆動タイミングの一例を示すタイミングチャートである。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。

（第１の実施形態）
本発明の第１の実施形態について説明する。
図１は、第１の実施形態による撮像装置１００の構成例を示すブロック図である。

図１において、撮像レンズ１０１は、被写体の光学像を撮像素子１０２の撮像面に結像させる。撮像素子１０２は、撮像面に結像された光学像を光電変換により撮像信号に変換し、変換した撮像信号を画素配列から読み出して出力する。撮像素子１０２は、光電変換素子を含む複数の画素を有し、それらが２次元状に（行方向及び列方向に）配列されている。撮像素子１０２は、例えばＣＭＯＳイメージセンサである。

アナログフロントエンド部（ＡＦＥ：Analog Front End）１０３は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）１０８により制御される。ＡＦＥ１０３は、撮像素子１０２から出力されるアナログ撮像信号を受けて増幅し、Ａ／Ｄ変換処理を行うことによりデジタル撮像信号を生成する。デジタル信号処理部（ＤＳＰ：Digital Signal Processor）１０４は、ＣＰＵ１０８により制御され、ＡＦＥ１０３から出力されるデジタル撮像信号を受け、各種の画像処理や圧縮処理等を行う。ＤＳＰ１０４にて生成された記録用の画像データは、例えば撮像装置１００に着脱可能に接続される記録媒体１０９に記録される。記録媒体１０９は、例えば半導体メモリ等である。

画像メモリ１０５は、ＤＳＰ１０４にて生成されたデジタル画像データを一時的に記憶し、表示部１０６に供給する。表示部１０６は、絞りやＩＳＯ感度（撮影感度）等の各種設定をユーザに行わせるメニュー画面の表示や、画像メモリ１０５に供給されたデジタル画像データの表示（ライブビュー）を行う。タイミング生成部（ＴＧ：Timing Generator）１０７は、ＣＰＵ１０８により制御される。ＴＧ１０７は、所定の駆動信号を生成し、生成した駆動信号を撮像素子１０２に供給する。

ＣＰＵ１０８は、撮像素子１０２、ＡＦＥ１０３、ＤＳＰ１０４、及びＴＧ１０７を制御する。ＣＰＵ１０８は、例えば設定されたＩＳＯ感度（撮影感度）に応じて撮像素子１０２における撮像信号の増幅率等を制御する。

次に、撮像素子１０２の構成について、図２及び図３を参照して説明する。図２は、撮像素子１０２の構成例を示す図である。また、図３は、撮像素子１０２が有する画素２０１の構成例を示す図である。

図２に示すように、撮像素子１０２において、光電変換素子を含む複数の画素２０１が行方向及び列方向に配置される。なお、図２においては、説明の便宜上、行方向及び列方向に複数の画素が配置された撮像素子のうち、４行×４列分の画素と、それらの画素から信号を読み出すための信号線及び読み出し回路を示している。

画素２０１の各々は、図３に示すように、フォトダイオード３０１、転送ゲート３０２、蓄積容量３０３、リセットスイッチ３０４、ソース・フォロワ３０５、及び行選択スイッチ３０６を有する。フォトダイオード３０１は、光電変換素子であり、光電変換により入射光に応じた信号電荷を生成して蓄積する。転送ゲート３０２は、フォトダイオード３０１で蓄積された信号電荷の蓄積容量３０３への転送を制御する。転送ゲート３０２は、信号φＴＸにより導通／非導通（オン／オフ）が制御される。

リセットスイッチ３０４は、フォトダイオード３０１及び蓄積容量３０３に蓄積された不要信号電荷のリセットを制御する。リセットスイッチ３０４は、信号φＲＥＳにより導通／非導通（オン／オフ）が制御される。ソース・フォロワ３０５は、蓄積容量３０３に蓄積された信号電荷を増幅し、信号電圧に変換する。ここで、蓄積容量３０３、リセットスイッチ３０４、及びソース・フォロワ３０５でフローティング・ディフュージョン・アンプを構成する。行選択スイッチ３０６は、ソース・フォロワ３０５の出力と垂直出力線（列出力線）２０３との接続を制御する。行選択スイッチ３０６は、信号φＳＥＬにより導通／非導通（オン／オフ）が制御される。

垂直走査回路２０２は、ｉ行目（ｉは整数であり、図２に示す例ではｉ＝ｎ，（ｎ＋１），（ｎ＋２），（ｎ＋３））の各画素２０１に対して、信号φＴＸ（ｉ）、φＲＥＳ（ｉ）及びφＳＥＬ（ｉ）を供給し、画素２０１からの信号電荷の読み出しを制御する。垂直出力線（列出力線）２０３は、画素２０１からの撮像信号（信号電荷）を列毎に出力する信号線であり、列毎に用意された列回路２０５に接続される。負荷電流源２０４は、行選択スイッチ３０６がオン（導通状態）とされた、すなわち選択された行におけるソース・フォロワ３０５を垂直出力線２０３を介して駆動する。

列回路２０５は、対応する列の複数の画素２０１に対し垂直出力線（列出力線）２０３を介して共通に接続され、画素２０１からの撮像信号を増幅し記憶する。列選択スイッチ２０６、２０７は、列回路２０５の出力端子と水平出力線２０８、２０９との接続を制御する。水平走査回路２１３は、列選択スイッチ２０６、２０７に対して信号φＨを供給し、列回路２０５からの出力信号の水平出力線２０８、２０９への出力を制御する。

差動増幅器２１２は、水平出力線２０８と水平出力線２０９との差分信号を、後段のＡＦＥ１０３の入力ダイナミックレンジに合わせて所定の増幅率で増幅して出力する。リセットスイッチ２１０、２１１は、信号φＣＨＲにより導通／非導通（オン／オフ）が制御され、水平出力線２０８、２０９を電圧ＶＣＨＲでリセットする。

図４は、列回路２０５の構成例を示す図である。本実施形態における列回路２０５は、縦続接続される２段の増幅回路（第１の増幅回路４０１及び第２の増幅回路４０２）により画素２０１からの撮像信号を増幅する。画素２０１からの撮像信号を列毎に出力する垂直出力線（列出力線）２０３と第１の増幅回路４０１の入力端子とが接続される。また、第１の増幅回路４０１の出力端子と第２の増幅回路４０２の入力端子とが接続される。第１の増幅回路４０１は、垂直出力線（列出力線）２０３の出力信号（画素２０１からの撮像信号）を増幅して出力し、第２の増幅回路４０２は、第１の増幅回路４０１の出力信号を増幅して出力する。

第１の増幅回路４０１において、垂直出力線２０３がクランプ容量４０３と接続され、クランプ容量４０３は反転増幅器４０４の反転入力端子に接続される。また、反転増幅器４０４の反転入力端子が帰還容量切り替えスイッチ群４０５を介して帰還容量群４０６に接続される。反転増幅器４０４の出力端子は、帰還容量切り替えスイッチ群４０５によって接続制御される帰還容量群４０６と接続される。帰還容量切り替えスイッチ群４０５は、帰還容量群４０６の各容量に対応するスイッチで構成される。帰還容量群４０６の容量とそれに対応する帰還容量切り替えスイッチ群４０５のスイッチとを直列接続した複数の直列回路が、反転増幅器４０４の反転入力端子と出力端子との間に並列に接続される。

帰還容量切り替えスイッチ群４０５の各スイッチは、ＣＰＵ１０８から出力される信号φＣｆ１＿１〜φＣｆ１＿６により導通／非導通（オン／オフ）が制御される。すなわち、ＣＰＵ１０８から出力される信号φＣｆ１＿１〜φＣｆ１＿６によって、反転増幅器４０４の反転入力端子と出力端子との間に接続される帰還容量が制御される。第１の増幅回路４０１における増幅率は、クランプ容量４０３の容量値と、帰還容量群４０６において反転増幅器４０４の反転入力端子と出力端子との間に接続される帰還容量の容量値との比によって決定される。第１の増幅回路４０１における増幅率は、ＣＰＵ１０８から出力される信号φＣｆ１＿１〜φＣｆ１＿６により切り替え可能である。

また、反転増幅器４０４の反転入力端子と出力端子との間に、信号φＣＬＡＭＰにより導通／非導通（オン／オフ）が制御されるクランプスイッチ４０７が接続される。反転増幅器４０４の非反転入力端子には、基準電源ＶＲＥＦが入力される。

第２の増幅回路４０２において、第１の増幅回路４０１の出力信号が、ＣＰＵ１０８から出力される信号φＰＡＭＰＥＮＢによって駆動制御が行われる反転増幅器４０８の非反転入力端子に入力される。また、反転増幅器４０８の反転入力端子が帰還容量切り替えスイッチ群４０９を介して帰還容量群４１０に接続される。反転増幅器４０８の出力端子は、帰還容量切り替えスイッチ群４０９によって接続制御される帰還容量群４１０と接続される。帰還容量切り替えスイッチ群４０９は、帰還容量群４１０の各容量に対応するスイッチで構成される。帰還容量群４１０の容量とそれに対応する帰還容量切り替えスイッチ群４０９のスイッチとを直列接続した複数の直列回路が、反転増幅器４０８の反転入力端子と出力端子との間に並列に接続される。

帰還容量切り替えスイッチ群４０９の各スイッチは、ＣＰＵ１０８から出力される信号φＣｆ２＿１〜φＣｆ２＿２により導通／非導通（オン／オフ）が制御される。すなわち、ＣＰＵ１０８から出力される信号φＣｆ２＿１〜φＣｆ２＿２によって、反転増幅器４０８の反転入力端子と出力端子との間に接続される帰還容量が制御される。第２の増幅回路４０２における増幅率は、サンプリング容量４１２の容量値と、帰還容量群４１０において反転増幅器４０８の反転入力端子と出力端子との間に接続される帰還容量の容量値との比によって決定される。第２の増幅回路４０２における増幅率は、ＣＰＵ１０８から出力される信号φＣｆ２＿１〜φＣｆ２＿２により切り替え可能である。

サンプリング容量４１２は、ＣＰＵ１０８から出力される信号φＣｓにより導通／非導通（オン／オフ）が制御されるサンプリング容量接続切り替えスイッチ４１１を介して、反転増幅器４０８の反転入力端子に接続される。また、反転増幅器４０８の反転入力端子と出力端子との間には、信号φＵＮＩＴＹにより導通／非導通（オン／オフ）が制御される切り替えスイッチ４１４が接続される。この切り替えスイッチ４１４をオンにし、サンプリング容量接続切り替えスイッチ４１１をオフとすることで、第２の増幅回路４０２をボルテージフォロワとして第１の増幅回路４０１の出力信号を後段に出力することも可能である。

ここで、第２の増幅回路４０２の出力信号は、その出力端子に接続された切り替えスイッチ４１５をオン（導通状態）にすることによって後段に出力される。また、第１の増幅回路４０１の出力端子に接続された切り替えスイッチ４１３をオン（導通状態）にし、かつ切り替えスイッチ４１５をオフ（非導通状態）にすれば、第１の増幅回路４０１の出力信号が、第２の増幅回路４０２を経由せずに後段に出力される。

切り替えスイッチ４１５は、ＣＰＵ１０８から出力される信号φＰＡＭＰＯＦＦにより導通／非導通（オン／オフ）が制御され、切り替えスイッチ４１３は、ＣＰＵ１０８から出力される信号φＴＨにより導通／非導通（オン／オフ）が制御される。第１のスイッチである切り替えスイッチ４１３及び第２のスイッチである切り替えスイッチ４１５により出力制御手段が構成され、切り替えスイッチ４１３、４１５は読み出しモードに応じて排他的に導通状態（オン）とされる。

例えば、第１の実施形態では、ユーザにより表示部１０６もしくは不図示の操作部材から選択されたＩＳＯ感度（撮影感度）に応じて、ＣＰＵ１０８は、下記のように列回路２０５に係る制御を行う。すなわち、ＣＰＵ１０８は、選択されたＩＳＯ感度（撮影感度）に応じて、第２の増幅回路４０２を経由せずに撮像信号を読み出す第１の読み出しモードと、第２の増幅回路４０２を経由して撮像信号を読み出す第２の読み出しモードとを切り替える。

＜ＩＳＯ１００からＩＳＯ８００までの撮影感度（低ＩＳＯ感度）が選択された場合＞
第１の読み出しモードで撮像信号を読み出すよう列回路２０５に係る制御が行われる。
ＣＰＵ１０８は、設定されたＩＳＯ感度に応じて要求される所定の増幅率が第１の増幅回路４０１で得られるように、制御信号φＣｆ１＿１〜φＣｆ１＿６により帰還容量切り替えスイッチ群４０５の各スイッチのオン／オフを制御する。また、ＣＰＵ１０８は、信号φＴＨ及び信号φＰＡＭＰＯＦＦを制御して、切り替えスイッチ４１３をオンにし、切り替えスイッチ４１５をオフにする。すなわち、第２の増幅回路４０２を経由せずに撮像信号を読み出すように制御を行う。

なお、このときＣＰＵ１０８は、信号φＰＡＭＰＥＮＢを制御して第２の増幅回路４０２の反転増幅器４０８への駆動電流の供給を遮断し、反転増幅器４０８の駆動を停止させるようにする。もしくは、高ＩＳＯ感度に設定された場合に、再度第２の増幅回路４０２を起動する時間が必要になることを考慮して、反転増幅器４０８への駆動電流の供給を低減させて駆動するようにしても良い。

＜ＩＳＯ１６００からＩＳＯ３２００までの撮影感度が選択された場合＞
第２の読み出しモードで撮像信号を読み出すよう列回路２０５に係る制御が行われる。
ＣＰＵ１０８は、ＩＳＯ感度に応じて要求される所定の増幅率が第１の増幅回路４０１で得られるように、制御信号φＣｆ１＿１〜φＣｆ１＿６により帰還容量切り替えスイッチ群４０５の各スイッチのオン／オフを制御する。また、ＣＰＵ１０８は、信号φＵＮＩＴＹ、信号φＣｓ、及び信号φＣｆ２＿１〜φＣｆ２＿２を制御して、切り替えスイッチ４１４をオンにし、サンプリング容量接続切り替えスイッチ４１１及び帰還容量切り替えスイッチ群４０９の各スイッチをオフにする。これにより、第２の増幅回路４０２をボルテージフォロワとして動作させ、第１の増幅回路４０１の出力信号を後段に出力する。

＜ＩＳＯ６４００以上の撮影感度が選択された場合＞
第２の読み出しモードで撮像信号を読み出すよう列回路２０５に係る制御が行われる。
ＣＰＵ１０８は、第１の増幅回路４０１で所定の増幅率が得られるように、制御信号φＣｆ１＿１〜φＣｆ１＿６により帰還容量切り替えスイッチ群４０５の各スイッチのオン／オフを制御する。また、ＣＰＵ１０８は、第２の増幅回路４０２で所定の増幅率が得られるように、制御信号φＣｆ２＿１〜φＣｆ２＿２により帰還容量切り替えスイッチ群４０９の各スイッチのオン／オフを制御する。このように、ＩＳＯ６４００以上の感度が選択された場合には、ＣＰＵ１０８は、第１の増幅回路４０１と第２の増幅回路４０２とによりＩＳＯ感度に応じて要求される所定の増幅率が得られるように、それぞれの増幅率を制御する。

また、ＣＰＵ１０８は、信号φＴＨ及び信号φＰＡＭＰＯＦＦを制御して、切り替えスイッチ４１３をオフにし、切り替えスイッチ４１５をオンにする。すなわち、第１の増幅回路４０１及び第２の増幅回路４０２を介して撮像信号を読み出すように制御を行う。

前述のようにして、第１の増幅回路４０１、もしくは第１の増幅回路４０１及び第２の増幅回路４０２で増幅された撮像信号及びノイズ信号は、転送ゲート４１６、４１７を介して転送容量４１８、４１９にそれぞれ記憶される。転送ゲート４１６は信号φＴＳにより導通／非導通（オン／オフ）が制御され、転送ゲート４１７は信号φＴＮにより導通／非導通（オン／オフ）が制御される。

転送容量４１８に記憶された撮像信号は、列選択スイッチ２０６を介して水平出力線２０８に出力される。同様に、転送容量４１９に記憶されたノイズ信号は、列選択スイッチ２０７を介して、水平出力線２０９に出力される。列選択スイッチ２０６、２０７は、水平走査回路２１３から供給される信号φＨにより導通／非導通（オン／オフ）が制御される。そして、水平出力線２０８、２０９に出力された撮像信号及びノイズ信号は、その差分が差動増幅器２１２により所定の増幅率で増幅されてＡＦＥ１０３に出力される。なお、水平出力線２０８及び２０９は、信号φＣＨＲによりリセットスイッチ２１０、２１１の導通／非導通（オン／オフ）が制御され、所定期間毎に電圧ＶＣＨＲでリセットされる。

図５は、第１の実施形態における撮像素子１０２の駆動タイミングの一例を示すタイミングチャートである。図５においては、撮像素子１０２が有する画素２０１から撮像信号（信号電荷）を読み出す場合の１水平期間における駆動タイミングを示している。なお、図中の各信号は、Ｈｉｇｈ状態（ハイレベル、以下“Ｈ”と記す）及びＬｏｗ状態（ローレベル、以下“Ｌ”と記す）のいずれかの状態を取るものとする。各信号は、ＴＧ１０７からの駆動信号に基づいて、撮像素子１０２内の垂直走査回路２０２や水平走査回路２１３等によって生成され出力される。

信号ＨＤは、１水平期間の先頭を示し、１水平期間の開始時においてパルス状に“Ｌ”とされる。信号φＨＳＴは、水平走査期間の開始、すなわち水平走査回路２１３によって制御される水平出力線２０８、２０９への列毎の出力信号の読み出し開始を示し、水平走査期間の開始時においてパルス状に“Ｈ”とされる。信号ＨＤが“Ｌ”になる時刻ｔ１から信号φＨＳＴが“Ｈ”になる時刻ｔ１０までの期間が、画素２０１から読み出した１行分の撮像信号及びノイズ信号を転送容量４１８、４１９に転送して記憶するまでの動作を行う期間である。

以下、撮像素子１０２において行列状に配置された複数の画素２０１のうち、ｎ行目に配置された画素に対する読み出し動作について説明する。説明の便宜上、「ｎ行目の信号φＳＥＬ」を「信号φＳＥＬ（ｎ）」と呼ぶ。また、他の信号についても同様に「信号名（ｎ）」と記した場合には、ｎ行目の信号であることを示すものとする。

時刻ｔ２において、信号φＳＥＬ（ｎ）が“Ｈ”とされる。これより、行選択スイッチ３０６がオンにされる。また、同時刻に信号φＲＥＳ（ｎ）が“Ｈ”とされてリセットスイッチ３０４がオンにされ、蓄積容量３０３に蓄積された不要電荷がリセットされる。

時刻ｔ３において、信号φＲＥＳ（ｎ）が“Ｌ”にされてリセットスイッチ３０４がオフにされ、不要電荷のリセットが終了する。また、同時刻に信号φＣＬＡＭＰが“Ｈ”とされ、クランプスイッチ４０７がオンにされる。これにより、画素２０１で発生するノイズ信号が、垂直出力線２０３を介して接続されたクランプ容量４０３でクランプされる。

時刻ｔ４において、信号φＣＬＡＭＰが“Ｌ”にされてクランプスイッチ４０７がオフにされ、画素２０１で発生するノイズ信号のクランプ動作が終了する。また、同時刻に信号φＴＮが“Ｈ”とされて転送ゲート４１７がオンし、第１の増幅回路４０１、もしくは第１の増幅回路４０１及び第２の増幅回路４０２で増幅されたノイズ信号が転送容量４１９に記憶される。

時刻ｔ５において、信号φＴＮが“Ｌ”にされて転送ゲート４１７がオフし、転送容量４１９におけるノイズ信号の記憶を終了する。時刻ｔ６において、信号φＴＸ（ｎ）が“Ｈ”とされて転送ゲート３０２がオンにされ、フォトダイオード３０１に蓄積された信号電荷が蓄積容量３０３に転送される。

時刻ｔ７において、信号φＴＸ（ｎ）が“Ｌ”にされて転送ゲート３０２がオフになり、蓄積容量３０３への信号電荷の蓄積が終了される。また、同時刻に信号φＴＳが“Ｈ”とされて転送ゲート４１６がオンする。これにより、画素２０１における蓄積容量３０３の信号電荷がソース・フォロワ３０５により増幅され、かつ電圧に変換されて垂直出力線２０３に出力される。垂直出力線２０３に出力された信号は、クランプ容量４０３を介して第１の増幅回路４０１、もしくは第１の増幅回路４０１及び第２の増幅回路４０２により増幅され、転送容量４１８に転送され記憶される。

時刻ｔ８において、信号φＴＳが“Ｌ”にされて転送ゲート４１６がオフし、転送容量４１８への撮像信号の記憶を終了する。さらに、時刻ｔ９において、信号φＳＥＬ（ｎ）を“Ｌ”として行選択スイッチ３０６をオフし、ｎ行目の画素２０１からの撮像信号の読み出しを終了させる。

時刻ｔ１０から、ｎ行目の画素２０１の信号に対して水平走査期間が開始される。水平走査期間においては、水平走査回路２１３に信号φＨの入力が開始され、水平走査回路２１３は、入力される信号φＨに応じて列選択スイッチ２０６、２０７を順次オンにしていく。列選択スイッチ２０６、２０７がオンにされることで、転送容量４１８及び４１９に記憶された信号が、それぞれ水平出力線２０８及び２０９に出力される。そして、差動増幅器２１２で、水平出力線２０８により入力された撮像信号から、水平出力線２０９により入力されたノイズ成分が減ぜられ、所定の増幅率で増幅を行い１行分の画像信号として出力される。

第１の実施形態によれば、撮影感度として低ＩＳＯ感度（例えば、ＩＳＯ１００からＩＳＯ８００）が設定された場合には、縦続接続される２段の増幅回路４０１、４０２のうち、第１の増幅回路４０１だけで画素２０１からの撮像信号を増幅して出力する。このように低ＩＳＯ感度撮影時には、第１の増幅回路４０１で撮像信号を増幅し、第２の増幅回路４０２を経由せずに撮像信号を読み出すことで、Ｓ／Ｎ比の劣化を抑制し、良好な画質の撮像信号（画像データ）を得ることができる。また、低ＩＳＯ感度撮影時には、第２の増幅回路４０２の反転増幅器４０８の駆動を停止、もしくは供給する駆動電流を低減することにより不要な電力消費を削減し、撮像素子１０２における消費電力を低減することが可能である。

なお、前述した説明では、設定されたＩＳＯ感度（撮影感度）に応じて、第２の増幅回路４０２を経由せずに撮像信号を読み出す第１の読み出しモードと、第２の増幅回路４０２を経由して撮像信号を読み出す第２の読み出しモードとを切り替えている。ここで、設定されたＩＳＯ感度に応じて、要求される撮像信号の増幅率が変化するため、要求される増幅率に応じて第１の読み出しモードと第２の読み出しモードとを切り替えるようにしても良い。例えば、要求される増幅率がある閾値より小さい場合には第１の読み出しモードで撮像信号の読み出しを行い、そうでない場合（要求される増幅率がある閾値より大きい場合）には第２の読み出しモードで撮像信号の読み出しを行うようにしても良い。

（第２の実施形態）
次に、本発明の第２の実施形態について説明する。
第２の実施形態では、撮像装置の動作モードに応じて、撮像素子１０２の列回路２０５における第２の増幅回路４０２の駆動に係る切り替え制御を行う。なお、第２の実施形態における撮像装置の構成は、前述した第１の実施形態と同様であるので説明は省略する。第２の実施形態は、列回路２０５に係る制御が前述した第１の実施形態とは異なる。

第２の実施形態において、第１の動作モードは静止画撮影モード、第２の動作モードは動画撮影モードとする。第１の動作モードにおける読み出し方法は、前述した第１の実施形態において説明しているので省略し、以下では第２の動作モードにおける読み出し方法について説明する。撮像装置の動作モード係る第１の動作モードと第２の動作モードとの切り替えは、ユーザにより表示部１０６もしくは不図示の操作部材から行われる。

第２の動作モードに切り替えられた場合には、列回路２０５の第２の増幅回路４０２における反転増幅器４０８は、ＣＰＵ１０８から出力される信号φＰＡＭＰＥＮＢにより駆動を停止させる。もしくは、反転増幅回路４０８への駆動電流の供給を低減させて駆動するようにしても良い。

また、第２の動作モードでは、ＣＰＵ１０８から出力される信号φＴＨにより第１のスイッチである切り替えスイッチ４１３がオンにされ、信号φＰＡＭＰＯＦＦにより第２のスイッチである切り替えスイッチ４１５がオフにされる。つまり、第２の動作モードで動作する場合には、第１の読み出しモードで撮像信号を読み出す、すなわち列回路２０５において第２の増幅回路４０２を経由せずに撮像信号を読み出すように制御される。

なお、第２の増幅回路４０２を経由せずに撮像信号を読み出す場合、第１の増幅回路４０１において、設定されたＩＳＯ感度（撮影感度）に応じて要求される所定の増幅率で撮像信号の増幅を行うことになる。高ＩＳＯ感度が設定される場合には、第１の増幅回路４０１だけでは所望の増幅率が得られないことも考えられるが、そのような場合には、後段のＡＦＥ１０３やＤＳＰ１０４のいずれかで増幅を行うようにすれば良い。

図６は、第２の実施形態における撮像素子１０２の駆動タイミングの一例を示すタイミングチャートである。図６においては、第２の動作モードにおいて撮像素子１０２からｎ行目の画素２０１の撮像信号を読み出す場合の駆動タイミングを示している。ここでは、説明の便宜上、撮像信号の読み出し領域開始行をｎ行目としている。第２の動作モードでは、時刻ｔ１から時刻ｔ１８までの読み出し動作を、ｎ行目、（ｎ＋３）行目、（ｎ＋６）行目というように複数行毎に繰り返し行うようにする。

信号ＶＤは、１フレーム期間の先頭を示し、１フレーム期間の開始時においてパルス状に“Ｌ”とされる。図６に示す例では、信号ＶＤが“Ｌ”になる時刻ｔ７から１フレーム分の読み出しが開始される。時刻ｔ７からのフレーム期間の開始に先立って、読み出しが行われる行の画素２０１に対して蓄積されている不要電荷のリセット走査が行われる。

信号ＨＤが“Ｌ”とされる時刻ｔ１がｎ行目のリセット走査期間の先頭を示す。時刻ｔ２において、信号φＳＥＬ（ｎ）が“Ｈ”とされる。これより、行選択スイッチ３０６がオンにされる。また、同時刻に信号φＲＥＳ（ｎ）が“Ｈ”とされてリセットスイッチ３０４がオンにされ、蓄積容量３０３に蓄積された不要電荷がリセットされる。さらに、同時刻に信号φＴＸ（ｎ）が“Ｈ”とされて転送ゲート３０２がオンにされ、フォトダイオード３０１の電荷もリセットされる。時刻ｔ３において、信号φＴＸ（ｎ）が“Ｌ”にされて転送ゲート３０２がオフになりリセットが終了される。

時刻ｔ４において、信号φＲＥＳ（ｎ）が“Ｌ”にされてリセットスイッチ３０４がオフにされ、蓄積容量３０３の不要電荷のリセットが終了される。そして、時刻ｔ５において、信号φＳＥＬ（ｎ）を“Ｌ”として行選択スイッチ３０６をオフし、ｎ行目の画素２０１における不要電荷のリセット走査を終了させる。

その後、時刻ｔ７において、信号ＶＤが“Ｌ”になり、１フレーム分の撮像信号の読み出しが開始され、同時刻に信号ＨＤが“Ｌ”とされｎ行目の画素に係る読み出し走査期間が始まる。時刻ｔ７から時刻ｔ１８の期間における駆動タイミングは、前述した第１の実施形態における駆動タイミング（図５に示した時刻ｔ１〜ｔ１１）と同様であるため、説明は省略する。

第２の実施形態によれば、撮像装置の動作モードが動画撮影モードである場合には、列回路２０５において、第１の増幅回路４０１で撮像信号を増幅し、第２の増幅回路４０２を経由させずに撮像信号を読み出すように制御する。これにより、Ｓ／Ｎ比の劣化を抑制した良好な画質の撮像信号（画像データ）を得ることができる。また、動画撮影モードにおいては、第２の増幅回路４０２の反転増幅器４０８の駆動を停止、もしくは供給する駆動電流を低減することにより不要な電力消費を削減し、撮像素子１０２における消費電力を低減することができる。

（本発明の他の実施形態）
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、前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。

なお、前記実施形態は、何れも本発明を実施するにあたっての具体化のほんの一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。

１００撮像装置、１０２撮像素子、１０７タイミング生成部（ＴＧ）、１０８ＣＰＵ、２０１画素、２０２垂直走査回路、２０３垂直出力線（列出力線）、２０５列回路、４０１第１の増幅回路、４０２第２の増幅回路、４０３クランプ容量、４０４反転増幅器、４０５帰還容量切り替えスイッチ群、４０６帰還容量群、４０７クランプスイッチ、４０８反転増幅器、４０９帰還容量切り替えスイッチ群、４１０帰還容量群、４１１サンプリング容量接続切り替えスイッチ、４１２サンプリング容量、４１３切り替えスイッチ、４１４切り替えスイッチ、４１５切り替えスイッチ

Claims

光電変換により入射光に応じた電荷を生成する光電変換素子を含む複数の画素と、前記複数の画素からの撮像信号を列毎に出力する列出力線と、前記列出力線を介して入力される信号を増幅し出力する第１の増幅回路と、前記第１の増幅回路の出力信号を増幅し出力する第２の増幅回路と、前記第１の増幅回路の出力信号又は前記第２の増幅回路の出力信号を選択して出力する出力制御手段とを備える撮像素子と、
前記撮像素子の出力信号を増幅する第３の増幅回路と、
前記出力制御手段を制御して前記第２の増幅回路を経由せずに前記画素からの撮像信号を読み出す第１の読み出しモードと、前記出力制御手段を制御して前記第２の増幅回路を経由して前記画素からの撮像信号を読み出す第２の読み出しモードとを切り替える制御手段と、
撮影感度に応じて前記第１の読み出しモードと前記第２の読み出しモードとを切り替える第１の動作モードと、前記撮影感度にかかわらず前記第１の読み出しモードで動作する第２の動作モードとのいずれかに設定する設定手段とを有し、
前記第２の動作モードにおいて、前記第１の増幅回路により前記撮影感度に応じた所望の増幅率で前記撮像素子の出力信号を増幅できない場合には、前記第３の増幅回路により前記撮像素子の出力信号を増幅することを特徴とする撮像装置。
前記制御手段は、前記第１の読み出しモードでは、前記第２の増幅回路への駆動電流の供給を遮断もしくは低減することを特徴とする請求項１に記載の撮像装置。
前記出力制御手段は、前記第１の増幅回路の出力端子に接続された第１のスイッチと、前記第２の増幅回路の出力端子に接続された第２のスイッチとを備え、
前記第１のスイッチ及び前記第２のスイッチは、読み出しモードに応じて前記制御手段により排他的にオンされることを特徴とする請求項１又は２に記載の撮像装置。
前記第１の増幅回路及び前記第２の増幅回路は、それぞれ増幅率が切り替え可能であることを特徴とする請求項１〜３の何れか１項に記載の撮像装置。
前記第１の増幅回路及び前記第２の増幅回路は、反転増幅器と、当該反転増幅器の入力端子及び出力端子の間に並列に接続された複数の直列回路とをそれぞれ備え、前記直列回路は、スイッチと帰還容量が直列に接続されていることを特徴とする請求項１〜４の何れか１項に記載の撮像装置。