JP6014976B2 - 撮像装置 - Google Patents

Description

本発明は、撮像装置に関するものである。

デジタルカメラ等の撮像装置においては、撮像素子としてＣＭＯＳイメージセンサ等のＸＹアドレス型固体撮像素子を使用するのが一般的である。前記撮像素子の特性として、暗電流が固定パターンノイズとなり撮像された画像の画質を低下させていることが知られている。

下記特許文献１には、暗電流による画質劣化を低減することができる電子スチルカメラが開示されている。すなわち、下記特許文献１には、複数の画素を有し該複数の画素のリセット走査及び読み出し走査が可能なＸＹアドレス型固体撮像素子と、前記ＸＹアドレス型固体撮像素子に入射する光線を透過又は遮断するシャッターと、前記ＸＹアドレス型固体撮像素子の複数の画素をリセット走査及び／又は読み出し走査する駆動系と、前記シャッターと前記駆動系を制御する制御系とを有する電子スチルカメラにおいて、前記制御系は、前記シャッターを前記ＸＹアドレス型固体撮像素子に入射する光線を遮断する状態にして前記ＸＹアドレス型固体撮像素子をリセット走査し、その後前記シャッターを前記ＸＹアドレス型固体撮像素子に入射する光線が透過する状態に保持し、前記ＸＹアドレス型固体撮像素子をリセット及び読み出しの順に所定の時間間隔をおいて走査して１フレームの静止画を撮影するように前記シャッターと前記駆動系を制御することを特徴とする電子スチルカメラが、開示されている。

特開２００３−１８４６４号公報

しかしながら、前記特許文献１に開示された従来の電子スチルカメラでは、ＸＹアドレス型固体撮像素子をリセット及び読み出しの順に所定の時間間隔をおいて走査して１フレームの静止画を撮影するので、１フレームの画像を撮像するための時間が長くなってしまい、例えばコマ速が低下してしまう。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、１フレームの画像を撮像するための時間を長くすることなく、暗電流による画質劣化を低減することができる撮像装置を提供することを目的とする。

前記課題を解決するための手段として、以下の各態様を提示する。第１の態様による撮像装置は、電荷を蓄積する第１光電変換部と、電荷を蓄積する前記第１光電変換部とは受光面積が異なる第２光電変換部と、前記第１光電変換部の電荷により生成された信号と前記第２光電変換部の電荷により生成された信号とを読み出す読出部と、前記第１光電変換部及び前記第２光電変換部に集光させる集光部と、を含む画素を複数有する撮像素子と、前記撮像素子に入射する光を遮る遮光動作を行うメカニカルシャッタと、前記読出部により読み出された、前記第１光電変換部の電荷により生成された信号を、前記読出部により読み出された、前記メカニカルシャッタにより前記第２光電変換部が遮光された後に前記第２光電変換部で蓄積された電荷により生成された信号に基づく補正信号を用いて補正する補正部と、を備え、前記補正部は、前記第１光電変換部及び前記第２光電変換部の受光面積に応じて前記補正信号を生成するものである。

第２の態様による撮像装置は、前記第１の態様において、前記第１光電変換部の受光面積は、前記第２光電変換部の受光面積よりも大きいものである。

第３の態様による撮像装置は、前記第１又は第２の態様において、前記読出部により読み出された、前記第１光電変換部の電荷により生成された信号は、前記メカニカルシャッタにより前記遮光動作が行われていないときに前記第１光電変換部に入射した光で変換された電荷により生成された信号を含むものである。

第４の態様による撮像装置は、前記第１乃至第３のいずれかの態様において、前記読出部は、電荷を排出する排出部を有し、前記排出部は、前記メカニカルシャッタにより前記第２光電変換部が遮光された後であって前記読出部により前記第１光電変換部の電荷により生成された信号を読み出す前に、前記第２光電変換部の電荷を排出するものである。

第５の態様による撮像装置は、前記第１乃至第４のいずれかの態様において、前記撮像素子は、前記読出部により読み出された、前記第１光電変換部の電荷により生成された信号を保持する第１保持部と、前記読出部により読み出された、前記第２光電変換部の電荷により生成された信号を保持する第２保持部と、を有するものである。

本発明によれば、１フレームの画像を撮像するための時間を長くすることなく、暗電流による画質劣化を低減することができる撮像装置を提供することができる。

本発明の一実施の形態による撮像装置を示す概略ブロック図である。 図１中の撮像素子の概略構成を示す回路図である。 図１中の撮像素子の画素領域の一部を模式的に示す概略平面図である。 図１に示す撮像装置の動作の一例とこれにより得られる信号を模式的に示すタイミングチャートである。 図４中の一部を詳細に示すタイミングチャートである。 比較例による撮像装置の動作とこれにより得られる信号を模式的に示すタイミングチャートである。 図６中の一部を詳細に示すタイミングチャートである。

以下、本発明による撮像装置について、図面を参照して説明する。

図１は、本発明の一実施の形態による撮像装置１を示す概略ブロック図である。本実施の形態による撮像装置１は、電子カメラとして構成されている。

本実施の形態による撮像装置１には、撮影レンズ２が装着される。この撮影レンズ２は、レンズ制御部５によってフォーカスや絞りが駆動される。この撮影レンズ２の像空間には、撮像素子４の撮像面が配置される。メカシャッタ（メカニカルシャッタ）３が、撮影レンズ２と撮像素子４との間に設けられ、シャッタ制御部６によって制御されて、撮影レンズ２からの入射光を撮像素子４に対して開閉（通過及び遮断）する。本実施の形態では、メカシャッタ３として、縦走りシャッタが用いられているが、横走りシャッタ等を用いてもよい。また、メカシャッタ３に代えて、液晶シャッタ等の他のシャッタを用いることも可能である。

撮像素子４は、撮像制御部７から出力される制御信号によって駆動され、画素信号を出力する。撮像素子４から出力される画素信号は、信号処理部８、及びＡ／Ｄ変換部９を介して処理された後、メモリ１０に一旦蓄積される。メモリ１０は、バス１７に接続される。バス１７には、レンズ制御部５、シャッタ制御部６、撮像制御部７、マイクロプロセッサ１１、記録部１２、焦点演算部１３、画像処理部１４及び画像圧縮部１５なども接続される。マイクロプロセッサ１１には、レリーズ釦などの操作部１６が接続される。また、上記の記録部１２には記録媒体１２ａが着脱自在に装着される。なお、信号処理部８及びＡ／Ｄ変換部９を撮像素子４に搭載してもよい。

図２は、図１中の撮像素子４の概略構成を示す回路図である。撮像素子４は、ＸＹアドレス型固体撮像素子として構成されている。本実施の形態では、撮像素子４は、２次元状に配置された複数の画素ＰＸ（図２では、２×２個の画素ＰＸのみを示す。）と、垂直走査回路２１と、水平走査回路２２と、画素ＰＸの各列に対応して設けられ対応する列の画素ＰＸの出力信号（画素信号）が供給される垂直信号線２３と、各垂直信号線２３に接続された定電流源２４とを備えている。なお、画素ＰＸの数が限定されるものではないことは、言うまでもない。

各画素ＰＸは、入射光に応じた電荷を生成し蓄積する第１及び第２の光電変換部としての互いに近接する２つのフォトダイオードＰＤＡ，ＰＤＢと、フォトダイオードＰＤＡ，ＰＤＢに対して共通に設けられフォトダイオードＰＤＡ，ＰＤＢから転送されてきた電荷を電圧に変換する電荷電圧変換部としてのフローティング容量部ＦＤと、フォトダイオードＰＤＡに対応して設けられフォトダイオードＰＤＡからフローティング容量部ＦＤに電荷を転送する転送スイッチとしての転送トランジスタＴＸＡと、フォトダイオードＰＤＢに対応して設けられフォトダイオードＰＤＢからフローティング容量部ＦＤに電荷を転送する転送スイッチとしての転送トランジスタＴＸＢと、フォトダイオードＰＤＡ，ＰＤＢに対して共通に設けられフローティング容量部ＦＤの電位をリセットするリセットスイッチと、当該画素ＰＸを選択するための選択部としての選択トランジスタＳＥＬとを有し、図２に示すように接続されている。なお、本実施の形態では、画素ＰＸのトランジスタＡＭＰ，ＴＸ，ＲＥＳ，ＳＥＬは、全てｎＭＯＳトランジスタである。図２において、ＶＤＤは電源電圧である。

図３は、図１中の撮像素子４の画素領域（画素ＰＸが２次元状に配置されている領域）の一部を模式的に示す概略平面図である。図３において、Ｘ軸方向は行方向（水平方向）を示し、Ｘ軸方向と直交するＹ軸方向は列方向（垂直方向）を示している。図３では、３×３個の画素ＰＸを示し、画素ＰＸの構成要素のうち、フォトダイオードＰＤＡ，ＰＤＢと、フォトダイオードＰＤＡ，ＰＤＢへ入射光をそれぞれ集光するマイクロレンズＭＬＡ，ＭＬＢのみを、簡略化して示している。以下の説明では、フォトダイオードＰＤＡの受光面積は、フォトダイオードＰＤＢの受光面積のａ倍となっているものとする。本実施の形態では、フォトダイオードＰＤＡの受光面積はフォトダイオードＰＤＢの受光面積よりも大きくされ、ａ＞１となっている。もっとも、フォトダイオードＰＤＡの受光面積は、フォトダイオードＰＤＢの受光面積と同じでもよいし、フォトダイオードの受光面積よりも小さくてもよい。すなわち、ａ＝１でもよいし、ａ＜１でもよい。

なお、画素ＰＸにおける２つのフォトダイオードＰＤＡ，ＰＤＢの配置は、必ずしも図３に示すような斜め配置に限られるものではない。また、２つのフォトダイオードＰＤＡ，ＰＤＢに対してそれぞれマイクロレンズＭＬＡ，ＭＬＢを設ける代わりに、１つのマイクロレンズを２つのフォトダイオードＰＤＡ，ＰＤＢに対して共通して設けてもよい。

再び図２を参照すると、転送トランジスタＴＸＡのゲートは、画素行毎に、垂直走査回路２１からの制御信号φＴＸＡを導く信号線に、接続されている。転送トランジスタＴＸＢのゲートは、画素行毎に、垂直走査回路２１からの制御信号φＴＸＢを導く信号線に、接続されている。リセットトランジスタＲＥＳのゲートは、画素行毎に、垂直走査回路２１からの制御信号φＲＥＳを導く信号線に、接続されている。選択トランジスタＳＥＬのゲートは、画素行毎に、垂直走査回路２１からの制御信号φＳＥＬを導く信号線に、接続されている。

フォトダイオードＰＤＡ，ＰＤＢは、入射光の光量（被写体光）に応じて信号電荷を生成する。転送トランジスタＴＸＡは、制御信号φＴＸＡのハイレベル期間にオンし、フォトダイオードＰＤＡに蓄積された電荷をフローティング容量部ＦＤに転送する。転送トランジスタＴＸＢは、制御信号φＴＸＢのハイレベル期間にオンし、フォトダイオードＰＤＢに蓄積された電荷をフローティング容量部ＦＤに転送する。リセットトランジスタＲＥＳは、制御信号φＲＥＳのハイレベル期間にオンし、フローティング容量部ＦＤをリセットする。制御信号φＴＸＡ及び制御信号φＲＥＳを同時にハイレベルにして、転送トランジスタＴＸＡ及びリセットトランジスタＲＥＳを同時にオンにすることで、フォトダイオードＰＤＡの蓄積電荷がリセットされる。制御信号φＴＸＢ及び制御信号φＲＥＳを同時にハイレベルにして、転送トランジスタＴＸＢ及びリセットトランジスタＲＥＳを同時にオンにすることで、フォトダイオードＰＤＢの蓄積電荷がリセットされる。ここでは、全画素ＰＸのフォトダイオードＰＤＡを同時にリセットすることをフォトダイオードＰＤＡをグローバルリセットするといい、全画素ＰＸのフォトダイオードＰＤＢを同時にリセットすることをフォトダイオードＰＤＢをグローバルリセットするという。

増幅トランジスタＡＭＰは、そのドレインが電源電圧ＶＤＤに接続され、そのゲートがフローティング容量部ＦＤに接続され、そのソースが選択トランジスタＳＥＬのドレインに接続され、定電流源２４を負荷とするソースフォロア回路を構成している。増幅トランジスタＡＭＰは、フローティング容量部ＦＤの電圧値に応じた信号を、選択トランジスタＳＥＬを介して垂直信号線２３に出力する。選択トランジスタＳＥＬは、制御信号φＳＥＬのハイレベル期間にオンし、増幅トランジスタＡＭＰのソースを垂直信号線２３に接続する。

垂直走査回路２１は、撮像制御部７の制御下で、画素行毎に、制御信号φＳＥＬ，φＲＥＳ，φＴＸＡ，φＴＸＢをそれぞれ出力し、垂直走査の制御を行う。図２において制御信号に付した（ｎ）はその制御信号がｎ行目の信号であることを示している。水平走査回路２２は、撮像制御部７の制御下で、列毎に水平走査信号φＨを出力し、水平走査の制御を行う。φＨに付した（ｍ）はｍ列目の信号であることを示している。

また、この撮像素子４は、各垂直信号線２３の信号に応じた信号をサンプリング制御信号φＴＶＮ，φＴＶＳに従ってサンプリングして保持するとともに、当該保持された信号を水平走査信号φＨに従って水平信号線２６Ｎ，２６Ｓへ供給するサンプルホールド部２５を、備えている。本実施の形態では、各垂直信号線２３が直接にサンプルホールド部２５に接続されているが、各垂直信号線２３をカラムアンプ（図示せず）を介してサンプルホールド部２５に接続してもよい。

本実施の形態では、サンプルホールド部２５は、各垂直信号線２３に対応して設けられた蓄積容量ＣＳ，ＣＮと、各垂直信号線２３の信号に応じた信号をサンプリング制御信号φＴＶＳに従って蓄積容量ＣＳに蓄積させるサンプリングスイッチＴＶＳと、各垂直信号線２３の信号に応じた信号をサンプリング制御信号φＴＶＮに従って蓄積容量ＣＮに蓄積させるサンプリングスイッチＴＶＮと、蓄積容量ＣＳに蓄積された信号を水平走査信号φＨに従って水平信号線２６Ｓに供給する水平転送スイッチＴＨＳと、蓄積容量ＣＮに蓄積された信号を水平走査信号φＨに従って水平信号線２６Ｎに供給する水平転送スイッチＴＨＮとを有している。水平信号線２６Ｓ，２６Ｎには、出力アンプＡＰＳ，ＡＰＮがそれぞれ接続されている。本実施の形態では、スイッチＴＶＳ，ＴＶＮ，ＴＨＳ，ＴＨＮは、全てｎＭＯＳトランジスタである。

各サンプリングスイッチＴＶＳのゲートは共通に接続され、そこには撮像制御部７からサンプリング制御信号φＴＶＳが供給される。サンプリング制御信号φＴＶＳに応じてサンプリングスイッチＴＶＳがオンすると、垂直信号線２３の信号に応じた信号が、対応する蓄積容量ＣＳに蓄積される。各サンプリングスイッチＴＶＮのゲートは共通に接続され、そこには撮像制御部７からサンプリング制御信号φＴＶＮが供給される。サンプリング制御信号φＴＶＮに応じてサンプリングスイッチＴＶＮがオンすると、垂直信号線２３の信号に応じた信号が、対応する蓄積容量ＣＳに蓄積される。

各列毎に、水平転送スイッチＴＨＳ，ＴＨＮのゲートが共通に接続され、そこには水平走査回路２２から対応する列の水平走査信号φＨが供給される。各列の水平走査信号φＨに応じて、各列の水平転送スイッチＴＨＳ，ＴＨＮがオンすると、対応する列の蓄積容量ＣＳ，ＣＮにそれぞれ蓄積されていた信号が、水平信号線２６Ｓ，２６Ｎにそれぞれ出力され、それぞれ出力アンプＡＰＳ，ＡＰＮを介して、図１中の信号処理部８へ出力される。図面には示していないが、信号処理部８は、マイクロプロセッサ１１の制御下で、後述する補正処理を行う。

さらに、この撮像素子４は、水平信号線２６Ｓ，２６Ｎをそれぞれ水平線リセット制御信号φＲＳＴＨに従って所定タイミングで所定電位ＶＲＥＦにリセットするための水平線リセットトランジスタＲＳＴＳ，ＲＳＴＮを、有している。

図４は、本実施の形態による撮像装置１の動作の一例とこれにより得られる信号を模式的に示すタイミングチャートである。以下の説明では、読み出される信号に反映される露光状態（メカシャッタ３が開いた状態）でのフォトダイオードの蓄積動作を本露光といい、本露光によって得られる信号を本信号という。また、読み出される信号に反映される遮光状態（メカシャッタ３が閉じた状態）でのフォトダイオードの蓄積動作を暗露光といい、暗露光によって得られる信号を暗信号という。なお、暗露光では、暗電流がフォトダイオードに蓄積されることになる。

図４（ａ）は、時間を横軸とするとともに垂直方向（Ｙ軸方向、列方向）の画素位置（すなわち、画素行位置）を縦軸として、メカシャッタ３の先幕及び後幕の走行位置、フォトダイオードＰＤＡのグローバルリセットタイミング、画素ＰＸの読み出しタイミング、並びに、フォトダイオードＰＤＡの本露光及び暗露光の期間を模式的に示している。図４（ｂ）は、時間を横軸とするとともに垂直方向（Ｙ軸方向、列方向）の画素位置（すなわち、画素行位置）を縦軸として、メカシャッタ３の先幕及び後幕の走行位置、フォトダイオードＰＤＢのグローバルリセットタイミング、画素ＰＸの読み出しタイミング、並びに、フォトダイオードＰＤＢの暗露光の期間を模式的に示している。

図４（ｃ）は、横軸を時間として、画素行位置Ｋ（最終読み出し行側の位置）の画素ＰＸのフォトダイオードＰＤＡの読み出し信号を構成する本信号及び暗信号を模式的に示している。図４（ｄ）は、横軸を時間として、画素行位置Ｋの画素ＰＸのフォトダイオードＰＤＢの読み出し信号を構成する暗信号を模式的に示している。図４（ｅ）は、横軸を時間として、画素行位置Ｋの画素ＰＸのフォトダイオードＰＤＡの補正後の信号を構成する本信号及び暗信号を模式的に示している。

図４（ｆ）は、横軸を時間として、画素行位置Ｊ（最初の読み出し行側の位置）の画素ＰＸのフォトダイオードＰＤＡの読み出し信号を構成する本信号及び暗信号を模式的に示している。図４（ｇ）は、横軸を時間として、画素行位置Ｊの画素ＰＸのフォトダイオードＰＤＢの読み出し信号を構成する暗信号を模式的に示している。図４（ｈ）は、横軸を時間として、画素行位置Ｋの画素ＰＸのフォトダイオードＰＤＡの補正後の信号を構成する本信号及び暗信号を模式的に示している。

本実施の形態では、図４に示すように、時点ｔ０で、フォトダイオードＰＤＡ，ＰＤＢが両方ともグローバルリセットされる。このグローバルリセットは、マイクロプロセッサ１１の制御下で撮像制御部７が撮像素子４を制御することで、行われる。なお、後述する時点ｔ１００でフォトダイオードＰＤＢをグローバルリセットするので、フォトダイオードＰＤＢは必ずしも時点ｔ０でグローバルリセットする必要はない。

フォトダイオードＰＤＡは時点ｔ０から暗露光される。フォトダイオードＰＤＢにもフォトダイオードＰＤＡと同様に時点ｔ０から暗電流が蓄積されていくが、フォトダイオードＰＤＢは後述する時点ｔ１００でグローバルリセットされるので、時点ｔ１００以前は暗露光されない。

続いて、マイクロプロセッサ１１の制御下でシャッタ制御部６によってメカシャッタ３が制御されることで、メカシャッタ３の先幕が走行し、フォトダイオードＰＤＡの本露光が開始される。メカシャッタ３の先幕が走行することで、フォトダイオードＰＤＢにもフォトダイオードＰＤＡと同様に入射光による電荷の蓄積が開始されるが、フォトダイオードＰＤＢは後述する時点ｔ１００でグローバルリセットされるので、時点ｔ１００以前は本露光されない。

次に、マイクロプロセッサ１１の制御下でシャッタ制御部６によってメカシャッタ３が制御されることで、メカシャッタ３の先幕が走行してから露光秒時を経過した後、メカシャッタ３の後幕が走行し、フォトダイオードＰＤＡの本露光が終了する。全ての画素ＰＸのフォトダイオードＰＤＡの本露光が終了した時点ｔ１００で、いずれの画素ＰＸのフォトダイオードＰＤＡもリセットされることなく、フォトダイオードＰＤＢのみがグローバルリセットされる。このグローバルリセットは、マイクロプロセッサ１１の制御下で撮像制御部７が撮像素子４を制御することで、行われる。

その後、マイクロプロセッサ１１の制御下で撮像制御部７が撮像素子４を制御することで、先頭行の画素ＰＸから最終行の画素ＰＸまで順次画素行毎に画素ＰＸを読み出していく。この画素ＰＸの信号読み出し（フォトダイオードＰＤＡ，ＰＤＢの信号読み出し）については、後に図５を参照して説明する。なお、画素行の読み出し順序は、必ずしも画素行の並びの順序に限定されるものではない。

読み出されるフォトダイオードＰＤＡの信号を構成する電荷が実際に蓄積されている期間は、フォトダイオードＰＤＡがグローバルリセットされる時点ｔ０からフォトダイオードＰＤＡが読み出される時点までの期間であるので、図４（ｃ）及び図４（ｆ）に示すように、後に読み出される位置（行）Ｋの画素ＰＸのフォトダイオードＰＤＡの方が、先に読み出される位置（行）Ｊの画素ＰＸのフォトダイオードＰＤＡよりも、暗信号の蓄積量が大きくなる。

なお、メカシャッタ３の走行スピードは一般的に画素読出しよりも十分速いため、時点ｔ０からメカシャッタ３の先幕走行タイミングまでの期間の暗信号量は、メカシャッタ３の後幕走行タイミングから画素読出し時点までの期間の暗信号量に比べて極めて小さいと言える。位置（行）Ｋの画素ＰＸのフォトダイオードＰＤＡの信号中の暗信号の量と、位置（行）Ｋの画素ＰＸのフォトダイオードＰＤＡの信号中の暗信号の量との差（すなわち、各画素ＰＸのフォトダイオードＰＤＡの信号をそのまま画像信号として用いる場合の、暗信号による垂直シェーディング）にとっては、メカシャッタ３の後幕走行タイミングから画素読出し時点までの期間の暗信号量が支配的になる。

一方、読み出されるフォトダイオードＰＤＢの信号を構成する電荷が実際に蓄積されている期間は、信号読み出しの直前にフォトダイオードＰＤＢがグローバルリセットされる時点ｔ１００からフォトダイオードＰＤＢが読み出される時点までの期間であるので、各位置（行）Ｋ，Ｊの画素ＰＸのフォトダイオードＰＤＢの読み出し信号は、図４（ｄ）及び図４（ｇ）にそれぞれ示すような暗信号のみとなる。

同一画素ＰＸのフォトダイオードＰＤＡ，ＰＤＢは互いに近接して配置されているため、時点ｔ１００から当該画素ＰＸの読み出し時点までに当該画素ＰＸのフォトダイオードＰＤＡに蓄積される暗信号成分の電荷の量は、当該画素ＰＸのフォトダイオードＰＤＢに蓄積されている全電荷の量に比例していると言える。本実施の形態では、フォトダイオードＰＤＡの受光面積がフォトダイオードＰＤＢの受光面積のａ倍であるので、時点ｔ１００から当該画素ＰＸの読み出し時点までに当該画素ＰＸのフォトダイオードＰＤＡに蓄積される暗信号成分の電荷の量は、当該画素ＰＸのフォトダイオードＰＤＢに蓄積されている全電荷の量のａ倍と等しいと言える。

したがって、各画素ＰＸ毎に、当該画素ＰＸのフォトダイオードＰＤＡの読み出し信号から、当該画素ＰＸのフォトダイオードＰＤＢの読み出し信号をａ倍した信号を差し引くことによって、フォトダイオードＰＤＡに蓄積されている時点ｔ１００から当該画素ＰＸの読み出し時点までの暗信号成分を除去することができる。このため、各画素ＰＸ毎に、当該画素ＰＸのフォトダイオードＰＤＡの読み出し信号から、当該画素ＰＸのフォトダイオードＰＤＢの読み出し信号をａ倍した信号を差し引いた信号を、当該画素ＰＸの補正後の信号とすれば、図４（ｅ）及び図４（ｈ）に示すように、いずれの位置（行）の画素ＰＸの補正後の信号に含まれる暗信号成分も低減されてほぼ同じになるので、暗電流に起因する垂直ダークシェーディングが低減され、暗電流による画質劣化を低減することができる。

ここで、図４中の時点ｔ１００後の画素ＰＸの読み出し動作について、図５を参照して説明する。

図４中の時点ｔ１００後に画素ＰＸが１行ずつ順次選択され、各１行について順次同じ動作が行われていく。図５は、図４中の一部を詳細に示すタイミングチャートであり、ｎ行目の画素ＰＸが選択された場合の動作を示している。

期間ｔ１−ｔ１４はｎ行目の画素ＰＸの選択期間である。期間ｔ１−ｔ１４において、φＳＥＬ（ｎ）がハイレベルにされて、ｎ行目の選択トランジスタＳＥＬがオンする。

時点ｔ１でｎ行目の画素ＰＸの選択期間を開始すると、まず、期間ｔ２−ｔ３において、φＲＥＳ（ｎ）がハイレベルにされてｎ行目のリセットトランジスタＲＥＳがオンにされ、ｎ行目のフローティング容量部ＦＤがリセットされる。次に、期間ｔ４−ｔ５において、φＴＸＢ（ｎ）がハイレベルにされて、ｎ行目の転送トランジスタＴＸＢがオンする。これにより、ｎ行目の画素ＰＸのフォトダイオードＰＤＢの蓄積電荷（暗信号）がｎ行目の画素ＰＸのフローティング容量部ＦＤに転送される。次に、期間ｔ６−ｔ７においてφＴＶＮがハイレベルにされ、ｎ行目の画素ＰＸのフォトダイオードＰＤＢの信号が蓄積容量ＣＮに蓄積される。

その後、期間ｔ８−ｔ９において、φＲＥＳ（ｎ）がハイレベルにされてｎ行目のリセットトランジスタＲＥＳがオンにされ、ｎ行目のフローティング容量部ＦＤがリセットされる。次に、期間ｔ１０−ｔ１１において、φＴＸＡ（ｎ）がハイレベルにされて、ｎ行目の転送トランジスタＴＸＡがオンする。これにより、ｎ行目の画素ＰＸのフォトダイオードＰＤＡの蓄積電荷（本信号＋暗信号）がｎ行目の画素ＰＸのフローティング容量部ＦＤに転送される。次に、期間ｔ１２−ｔ１３においてφＴＶＳがハイレベルにされ、ｎ行目の画素ＰＸのフォトダイオードＰＤＡの信号が蓄積容量ＣＳに蓄積される。

次いで、期間ｔ１３−ｔ１４において、各列のφＨが順次ハイレベルにされて水平走査が行われ、蓄積容量ＣＮ，ＣＳにそれぞれ蓄積されていたフォトダイオードＰＤＢの信号（暗信号）及びフォトダイオードＰＤＡの信号（本信号＋暗信号）が水平信号線２６Ｎ，２６Ｓにそれぞれ出力され、それぞれ出力アンプＡＰＮ，ＡＰＳを介して、図１中の信号処理部８へ出力される。

信号処理部８は、出力アンプＡＰＳから出力された各画素ＰＸのフォトダイオードＰＤＡの読み出し信号から、出力アンプＡＰＮから出力された当該画素ＰＸのフォトダイオードＰＤＢの読み出し信号をａ倍した信号を差し引いた信号を、当該画素ＰＸの補正後の信号として得る。なお、フォトダイオードＰＤＢの読み出し信号に基づくフォトダイオードＰＤＡの補正は、フォトダイオードＰＤＡの読み出し信号から、フォトダイオードＰＤＢの読み出し信号をａ倍した信号を差し引くことに必ずしも限定されるものではなく、フォトダイオードＰＤＢの読み出し信号に基づいて、フォトダイオードＰＤＡの読み出し信号を、暗電流成分が低減されるように補正すればよい。

信号処理部８により得られた各画素ＰＸの補正後の信号は、Ａ／Ｄ変換部９によりデジタル信号に変換され、更にメモリ１０に一旦格納される。マイクロプロセッサ１１は、補正後の信号による画像全体がメモリ１０に格納されると、操作部１６の指令に基づき、必要に応じて画像処理部１４や画像圧縮部１５にて所望の処理を行い、記録部１２に処理後の画像を出力させ記録媒体１２ａに記録する。

なお、信号処理部８で各画素ＰＸの補正後の信号を得る代わりに、出力アンプＡＰＳから出力された各画素ＰＸのフォトダイオードＰＤＡの読み出し信号及び出力アンプＡＰＮから出力された当該画素ＰＸのフォトダイオードＰＤＢの読み出し信号を信号処理部８でそれぞれ増幅等した後に、Ａ／Ｄ変換部９によりそれぞれデジタル信号に変換し、それぞれメモリ１０に一旦格納し、その後、画像処理部１４によって、メモリ１０内のフォトダイオードＰＤＡの読み出し信号による画像から、メモリ１０内のフォトダイオードＰＤＢによる読み出し信号による画像をａ倍（レベルをａ倍）した画像を差し引いてもよい。

ここで、本実施の形態による撮像装置１と比較される比較例による撮像装置について、説明する。図６は、この比較例による撮像装置の動作とこれにより得られる信号を模式的に示すタイミングチャートであり、図４に対応している。図７は、図６中の一部を詳細に示すタイミングチャートであり、ｎ行目の画素ＰＸが選択された場合の動作を示し、図５に対応している。

この比較例による撮像装置が本実施の形態による撮像装置１と異なる所は、撮像素子４において、各画素ＰＸからフォトダイオードＰＤＢ及び転送トランジスタＴＸＢが取り除かれている点と、図４に示す動作に代えて図６に示す動作が行われる点と、ｎ行目の画素ＰＸが選択された場合に図５に示す動作に代えて図７に示す動作が行われる点と、フォトダイオードＰＤＡの読み出し信号が補正されることなく、そのまま撮像画像として用いられる点である。

この比較例では、図４（ａ）に示す動作に代えて、図６（ａ）に示す動作が行われる。図４（ａ）に示す動作が図６（ａ）に示す動作と異なる所は、この比較例では、フォトダイオードＰＤＢがないので、時点ｔ０ではフォトダイオードＰＤＡのみがグローバルリセットされるとともに、時点ｔ１００ではフォトダイオードＰＤＢはグローバルリセットされない点である。図６（ｂ）の信号は図４（ｃ）の信号と同じであり、図６（ｃ）の信号は図４（ｆ）の信号と同じである。

図７に示す動作が図５に示す動作と異なる所は、この比較例では転送トランジスタＴＸＢがないのでφＴＸＢ（ｎ）がない点と、ｎ行目の画素ＰＸの選択期間において、期間ｔ８−ｔ９においてもφＲＥＳ（ｎ）がローレベルに維持されてｎ行目のリセットトランジスタＲＥＳがオフに維持され、他の行の画素ＰＸの選択期間においても同様である点である。これにより、この比較例では、蓄積容量ＣＮ，ＣＳにそれぞれ蓄積されていた信号の差分を取ることで、一般的な相関二重サンプリング（ＣＤＳ）処理が実現されるようになっている。

この比較例では、先の説明からわかるように、読み出されるフォトダイオードＰＤＡの信号を構成する電荷が実際に蓄積されている期間は、フォトダイオードＰＤＡがグローバルリセットされる時点ｔ０からフォトダイオードＰＤＡが読み出される時点までの期間であるので、図６（ｂ）及び図６（ｃ）に示すように、後に読み出される位置（行）Ｋの画素ＰＸのフォトダイオードＰＤＡの方が、先に読み出される位置（行）Ｊの画素ＰＸのフォトダイオードＰＤＡよりも、暗信号の蓄積量が大きくなる。

ところが、この比較例では、フォトダイオードＰＤＡの読み出し信号が補正されることなく、そのまま撮像画像として用いられるので、暗信号成分が何ら低減されることなく、暗電流に起因する垂直ダークシェーディングが何ら低減されず、暗電流による画質劣化を何ら低減することができない。

これに対し、本実施の形態では、前述したように、各画素ＰＸ毎に、暗信号のみを示すフォトダイオードＰＤＢの読み出し信号によって、フォトダイオードＰＤＡの読み出し信号を補正するので、いずれの位置（行）の画素ＰＸの補正後の信号に含まれる暗信号成分も低減されてほぼ同じになるので、暗電流に起因する垂直ダークシェーディングが低減され、暗電流による画質劣化を低減することができる。

また、本実施の形態では、フォトダイオードＰＤＢの読み出し信号によるフォトダイオードＰＤＡの読み出し信号の補正を各画素ＰＸ毎に行うので、暗電流が垂直方向に分布を持つ場合のみならず、暗電流が水平方向に分布を持つ場合にも、その暗電流の影響を低減することができ、この点からも、暗電流による画質劣化をより低減することができる。

さらに、本実施の形態では、前述した特許文献１に開示された撮像装置と異なり、リセット及び読み出しの順に所定の時間間隔をおいて走査して１フレームの静止画を撮影するわけではないので、１フレームの画像を撮像するための時間が長くならず、コマ速が低下してしまうようなことがない。

このように、本実施の形態によれば、１フレームの画像を撮像するための時間を長くすることなく、暗電流による画質劣化を低減することができる。

ところで、図４及び図５に示す動作では、前述したように、フォトダイオードＰＤＡの読み出し信号をフォトダイオードＰＤＢの読み出し信号に基づいて補正し、補正後の信号は、主にフォトダイオードＰＤＡの本信号からなる。逆に、フォトダイオードＰＤＢの読み出し信号をフォトダイオードＰＤＡの読み出し信号に基づいて補正し、補正後の信号を、主にフォトダイオードＰＤＢの本信号からなるようにすることも可能である。この場合、図４及び図５に示す動作を次のように改変すればよい。すなわち、この場合、時点ｔ０で少なくともフォトダイオードＰＤＢをグローバルリセットし、時点ｔ１００でフォトダイオードＰＤＢをグローバルリセットすることなくフォトダイオードＰＤＡをグローバルリセットし、ｎ行目の画素ＰＸの選択期間において、φＴＸＡ（ｎ）のハイレベル期間とφＴＸＢ（ｎ）のハイレベル期間とを入れ替え、他の行の画素ＰＸの選択期間においても同様とし、信号処理部８が、各画素ＰＸ毎に、当該画素ＰＸのフォトダイオードＰＤＢの読み出し信号から、当該画素ＰＸのフォトダイオードＰＤＡの読み出し信号を１／ａ倍した信号を差し引くことによって、当該画素ＰＸの補正後の信号とすればよい。

本実施の形態では、フォトダイオードＰＤＡの受光面積はフォトダイオードＰＤＢの受光面積よりも大きい。したがって、図４及び図５に示す動作では、補正後の信号が主にフォトダイオードＰＤＡの本信号からなるので、入射光に対する感度が高くなる。よって、図４及び図５に示す動作は、低輝度の被写体を撮像するのに適している。これに対し、図４及び図５に示す動作を前述したように改変した動作では、補正後の信号が主にフォトダイオードＰＤＢの本信号からなるので、入射光に対する感度が低くなり、被写体の輝度が高くても飽和しなくなることから、高輝度の被写体を撮像するのに適している。したがって、図４及び図５に示す動作モードと、これを前述したように改変した動作モードとを切り替えられるようにしておくことが好ましい。この切り替えは、例えば、操作部１６からの指令によって行ってもよいし、マイクロプロセッサ１１が被写体の輝度に基づいて自動的に行うようにしてもよい。

なお、他の動作モードにおいて、フォトダイオードＰＤＡの蓄積電荷とフォトダイオードＰＤＢの蓄積電荷を同時にフローティング容量部ＦＤへ転送させることで、両電荷を加算読み出しするようにすれば、暗電流による画質劣化は避けることはできないものの、フォトダイオードＰＤＡ，ＰＤＢ単独時よりも高感度の撮像が可能となる。

以上、本発明の実施の形態及びその変形例について説明したが、本発明はこれらに限定されるものではない。例えば、前記実施の形態では、全画素ＰＸが２つのフォトダイオードＰＤＡ，ＰＤＢを有しているが、一部の画素ＰＸ（例えば、暗電流の成分が少ない箇所の画素）は、単一のフォトダイオードのみを有していてもよい。

１ 撮像装置
４ 撮像素子
７ 撮像制御部
８ 信号処理部
１１ マイクロプロセッサ
ＰＤＡ，ＰＤＢ フォトダイオード

Claims (5)

1. 電荷を蓄積する第１光電変換部と、電荷を蓄積する前記第１光電変換部とは受光面積が異なる第２光電変換部と、前記第１光電変換部の電荷により生成された信号と前記第２光電変換部の電荷により生成された信号とを読み出す読出部と、前記第１光電変換部及び前記第２光電変換部に集光させる集光部と、を含む画素を複数有する撮像素子と、
   前記撮像素子に入射する光を遮る遮光動作を行うメカニカルシャッタと、
   前記読出部により読み出された、前記第１光電変換部の電荷により生成された信号を、前記読出部により読み出された、前記メカニカルシャッタにより前記第２光電変換部が遮光された後に前記第２光電変換部で蓄積された電荷により生成された信号に基づく補正信号を用いて補正する補正部と、を備え、
   前記補正部は、前記第１光電変換部及び前記第２光電変換部の受光面積に応じて前記補正信号を生成する撮像装置。
2. 前記第１光電変換部の受光面積は、前記第２光電変換部の受光面積よりも大きい請求項１に記載の撮像装置。
3. 前記読出部により読み出された、前記第１光電変換部の電荷により生成された信号は、前記メカニカルシャッタにより前記遮光動作が行われていないときに前記第１光電変換部に入射した光で変換された電荷により生成された信号を含む請求項１又は請求項２に記載の撮像装置。
4. 前記読出部は、電荷を排出する排出部を有し、
   前記排出部は、前記メカニカルシャッタにより前記第２光電変換部が遮光された後であって前記読出部により前記第１光電変換部の電荷により生成された信号を読み出す前に、前記第２光電変換部の電荷を排出する請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の撮像装置。
5. 前記撮像素子は、前記読出部により読み出された、前記第１光電変換部の電荷により生成された信号を保持する第１保持部と、前記読出部により読み出された、前記第２光電変換部の電荷により生成された信号を保持する第２保持部と、を有する請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の撮像装置。

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