JP6369016B2 - 撮像素子および撮像装置 - Google Patents

Description

撮像素子の光電変換部において光電変換された電荷は、電圧信号に変換されて、信号線に出力される。当該電圧信号は、光電変換部が設けられていない領域にある処理回路に送られる。従来、当該処理回路において、間引きおよび加算等の処理が施されていた（例えば、特許文献１参照）。
［先行技術文献］
［特許文献］
［特許文献１］ 特開２０１２−１９４９１号公報

光電変換部から処理回路に送られる電圧信号の情報量が多くなると、情報を処理する処理回路の負担が大きくなる。例えば、一つの光電変換部の情報を受け取る場合よりも三つの光電変換部の情報をそれぞれ受け取る場合の方が、間引きおよび加算等の処理をする処理回路の負担は大きい。そこで、処理回路の処理負担を軽減することが求められる。

本発明の第１の態様においては、複数の光電変換部が設けられた撮像基板と、撮像基板への入射光が通過する光路に設けられ、複数の光電変換部のうち、少なくとも二つの光電変換部に対して異なる透過率で入射光を透過させる透過部と、二つの光電変換部の出力を加算する加算部とを備える撮像素子を提供する。

本発明の第２の態様においては、本発明に記載の撮像素子を有する撮像装置を提供する。

なお、上記の発明の概要は、本発明の必要な特徴の全てを列挙したものではない。また、これらの特徴群のサブコンビネーションもまた、発明となりうる。

一眼レフカメラ４００の断面図である。 第１の実施形態における撮像素子１０の分解斜視図である。 撮像素子１０の液晶フィルタ２５の上面視図である。 図３のＩＶ−ＩＶにおける撮像素子１０の断面図である。 第２の実施形態における撮像素子４０の断面図である。 撮像素子１０の回路構成の一部を示す模式図である。 撮像素子１０において２つの光電変換部１８を電荷加算する例を示す図である。 撮像素子１０における回路構成の第１の変形例を示す図である。 第１の変形例において３つの光電変換部１８を電荷加算する例のタイミングチャート図である。 撮像素子１０における回路構成の第２の変形例を示す図である。

以下、発明の実施の形態を通じて本発明を説明するが、以下の実施形態は特許請求の範囲にかかる発明を限定するものではない。また、実施形態の中で説明されている特徴の組み合わせの全てが発明の解決手段に必須であるとは限らない。

図１は、一眼レフカメラ４００の断面図である。撮像装置としての一眼レフカメラ４００は、撮像素子部２００を有する。一眼レフカメラ４００は、レンズユニット５００およびカメラボディ６００を備える。カメラボディ６００には、レンズユニット５００が装着される。レンズユニット５００は、その鏡筒内に、光軸４１０に沿って配列された光学系を備え、入射する被写体光束をカメラボディ６００の撮像素子部２００へ導く。

なお、本明細書において、第１の方向は、第２の方向と垂直である。第１方向は撮像素子部２００の列方向であってよく、第２方向は撮像素子部２００の行方向であってよい。また、第１方向は撮像素子部２００のｘ方向であってよく、第２方向は撮像素子部２００のｙ方向であってよい。さらには、第１方向は撮像素子部２００の垂直方向と読み替えてよく、第２方向は撮像素子部２００の水平方向と読み替えてもよい。第３の方向は、第１の方向および第２の方向により規定される平面に垂直な方向である。第３の方向は、光軸４１０に平行である。第３の方向はｚ方向と読み替えてもよい。

カメラボディ６００は、レンズマウント５５０に結合されるボディマウント６６０の後方にメインミラー６７２およびサブミラー６７４を備える。メインミラー６７２は、レンズユニット５００から入射した被写体光束に斜設される斜設位置と、被写体光束から退避する退避位置との間で回動可能に軸支される。サブミラー６７４は、メインミラー６７２に対して回動可能に軸支される。

メインミラー６７２が斜設位置にある場合、レンズユニット５００を通じて入射した被写体光束の多くはメインミラー６７２に反射されてピント板６５２に導かれる。ピント板６５２は、撮像チップの受光面と共役な位置に配されて、レンズユニット５００の光学系が形成した被写体像を可視化する。ピント板６５２に形成された被写体像は、ペンタプリズム６５４およびファインダ光学系６５６を通じてファインダ６５０から観察される。斜設位置にあるメインミラー６７２に入射した被写体光束の一部は、メインミラー６７２のハーフミラー領域を透過しサブミラー６７４に入射する。サブミラー６７４は、ハーフミラー領域から入射した光束の一部を、合焦光学系６８０に向かって反射する。合焦光学系６８０は、入射光束の一部を焦点検出センサ６８２に導く。

ピント板６５２、ペンタプリズム６５４、メインミラー６７２、サブミラー６７４は、構造体としてのミラーボックス６７０に支持される。撮像素子部２００は、ミラーボックス６７０に取り付けられる。メインミラー６７２およびサブミラー６７４が退避位置に退避し、シャッタユニット３４０の先幕および後幕が開状態となれば、レンズユニット５００を透過する被写体光束は、撮像チップの受光面に到達する。

撮像素子部２００の後方には、ボディ基板６２０および背面表示部６３４が順次配置される。液晶パネル等が採用される背面表示部６３４は、カメラボディ６００の背面に現れる。ボディ基板６２０には、ＣＰＵ６２２、画像処理ＡＳＩＣ６２４等の電子回路が実装される。撮像チップの出力は、上述のガラス基板に電気的に接続された可撓性基板を介して画像処理ＡＳＩＣ６２４へ引き渡される。

上述の実施形態においては、撮像装置として一眼レフカメラ４００を例に説明したが、カメラボディ６００を撮像装置と捉えても良い。また、撮像装置は、ミラーユニットを備えるレンズ交換式カメラに限らず、ミラーユニットを持たないレンズ交換式カメラ、ミラーユニットの有無に関わらずレンズ一体式カメラであっても良い。

図２は、第１の実施形態における撮像素子１０の分解斜視図である。撮像素子１０は、撮像基板１２、透過部としての液晶フィルタ２５および撮像基板１２と液晶フィルタ２５との間にマイクロレンズアレイ２０を有する。なお、撮像素子１０の構成要素は、撮像基板１２、マイクロレンズアレイ２０および液晶フィルタ２５に限定されない。言及しない構成要素は、図１の説明の便宜上省略されている。

撮像基板１２、マイクロレンズアレイ２０の撮像基板１２側の面、および、液晶フィルタ２５は、第１の方向および第２の方向により規定される平面に対して平行に載置される。入射光３０は、第３の方向に略平行に、液晶フィルタ２５から撮像基板１２へ入射する。

撮像基板１２には、画素領域１３が複数設けられる。本例では、画素領域１３は、第１の方向および第２の方向において格子状に設けられる。本明細書において、画素領域１３は、カラーフィルタが設けられる領域のうち、第１の方向および第２の方向で規定される平面領域とする。

撮像基板１２には、複数の光電変換部が設けられる。本例では、撮像基板１２の内部において、撮像基板１２の一つの画素領域１３に対応して、一つの光電変換部が設けられる。

また、複数の光電変換部の各々に対応して、カラーフィルタが設けられる。当該カラーフィルタは、予め定められた分光特性を有する。なお、第３方向において、カラーフィルタの次に光電変換部が設けられる。マイクロレンズアレイ２０を透過した入射光３０は、カラーフィルタを透過することにより分光されて、光電変換素子に入射する。

マイクロレンズアレイ２０は、複数のマイクロレンズを有する。複数のマイクロレンズの各々は、液晶フィルタ２５を透過した入射光３０を、画素領域１３に設けられた光電変換素部へ集約する。本例では、１つの画素領域１３に対応して、マイクロレンズアレイ２０中の１つのマイクロレンズが設けられる。なお変形例として、複数の画素領域１３に対応して、１つのマイクロレンズを設けてもよい。

液晶フィルタ２５は、マイクロレンズアレイ２０を介して撮像基板１２へ入射光３０が通過する光路に設けられる。液晶フィルタ２５の領域２７−１および２７−２は、それぞれ異なる透過率で入射光３０を透過させる。

領域２７−１および２７−２に対応して、撮像基板１２には画素領域１３−１および１３−２が存在する。それゆえ、液晶フィルタ２５の領域２７−１および２７−２は、それぞれ撮像基板１２の画素領域１３−１および１３−２に対して異なる透過率で入射光３０を透過させる。なお、画素領域１３−１および１３−２に対応してそれぞれ一つの光電変換部が設けられている。それゆえ、液晶フィルタ２５は、撮像基板１２に設けられた複数の光電変換部のうち、少なくとも二つの光電変換部に対して異なる透過率で入射光３０を透過させる。

液晶フィルタの透過率の変化は、一対の電極に挟まれた液晶高分子が電界の変化応じて位置変化することにより生じる。それゆえ、電界をかけた状態を維持することにより、液晶フィルタの透過率を固定することができる。そこで、領域２７ごとに電界を調節すれば、領域２７ごとに透過率が調節される。領域２７、画素領域１３および光電変換部は第3方向においてそれぞれ対応して設けられている。それゆえ、液晶フィルタ２５の透過率は、撮像基板１２に設けられた複数の光電変換部に対して固定されている。

また、本例では、透過部として液晶フィルタ２５を記載した。しかしながら、透過率を可変にできるのであれば、透過部に用いる部材は、液晶フィルタに限定されない。

本例では、液晶フィルタ２５は、撮像基板１２およびマイクロレンズアレイ２０に対して位置が固定される。しかし、液晶フィルタ２５は、入射光３０を遮らない位置に移動することができるよう設けられてもよい。すなわち、液晶フィルタ２５は、撮像基板１２およびマイクロレンズアレイ２０の少なくとも一方に対して可動であってよい。液晶フィルタ２５を可動とすることにより、液晶フィルタ２５を用いた撮像と液晶フィルタ２５を用いない撮像とを切り替えることができる。

図３は、撮像素子１０の液晶フィルタ２５の上面視図である。図３では、液晶フィルタ２５のそれぞれの領域２７と、撮像基板１２における画素領域１３に対応して設けられたカラーフィルタの色とを合わせて示す。カラーフィルタについては、赤色をＲで示し、緑色をＧｂおよびＧｒで示し、青色をＢで示す。

本例では、液晶フィルタ２５は、撮像基板１２における複数の光電変換部の各々に対応して透過率を変化させる。例えば、第１の方向に並んで設けられた３つのＲのカラーフィルタに対して、液晶フィルタ２５の領域２７−１、２７−２および２７−３がそれぞれ設けられる。液晶フィルタ２５は、領域２７−１、２７−２および２７−３の透過率を、例えば１：２：１に変化させる。

液晶フィルタ２５の透過率を領域２７ごとに変化させることにより、撮像基板１２の光電変換部が光電変換する電荷の量を画素領域１３ごとに変化させることができる。領域２７−１、２７−２および２７−３の透過率が１：２：１である例では、画素領域１３に対応して設けられる３つの光電変換部が１：２：１の比率で電荷を蓄積する。そして、当該３つの光電変換部において蓄積された電荷を加算することにより、１：２：１の比率で画素信号の重み付けをすることができる。なお、画素の重み付けについては、後述する。

なお、液晶フィルタ２５の透過率の変化は、第１の方向だけには限定されない。液晶フィルタ２５の透過率は、第２の方向において変化してもよい。例えば、液晶フィルタ２５は、領域２７−５、２７−４および２７−１の透過率を１：２：１に変化させてもよい。

さらに、液晶フィルタ２５の透過率は、複数の画素領域１３（またはカラーフィルタ）を覆う領域ごとに変化してもよい。例えば、液晶フィルタ２５は、４つのカラーフィルタＲＧＢを覆う領域２７−６、２７−７および２７−８の透過率を、１：２：１に変化させてもよい。

図４は、図３のＩＶ−ＩＶにおける撮像素子１０の断面図である。当該断面図において、撮像素子１０は液晶フィルタ２５、マイクロレンズアレイ２０、カラーフィルタ１４および撮像基板１２を備える。撮像基板１２は、パッシベーション膜１５、配線層１７、光電変換部１８および複数のトランジスタ１９を有する。なお、配線層１７は配線１６を含む。

例えば、液晶フィルタ２５の領域２７−３の第３方向に着目して、図４について説明する。入射光３０の一部は、液晶フィルタ２５の領域２７−３を透過する。領域２７−３を透過した光は、第３方向において領域２７−３に対応して設けられた一つのマイクロレンズにより集光される。当該集光された光は、赤色のカラーフィルタ１４を透過する。これにより、赤色の波長の光が配線層１７に入射する。

赤色のカラーフィルタ１４を透過した光は、配線層１７のうち配線１６が設けられていない領域を、第３の方向へ進行する。そして、配線層１７を透過した光は、光電変換部１８において、光から電荷に光電変換される。当該光電変換された電荷は、複数のトランジスタ１９等により、処理される。光電変換部１８および複数のトランジスタ１９の構成については後述する。

図５は、第２の実施形態における撮像素子４０の断面図である。図５は、撮像素子４０を図３の撮像素子１０と同様に配置して、ＩＶ−ＩＶにおいて切断した断面図である。本実施形態は、透過部としての液晶フィルタ２５が、マイクロレンズアレイ２０とカラーフィルタ１４との間に設けられる点が、第１の実施形態と異なる。他の点は、第１の実施形態と同じである。

マイクロレンズアレイ２０は、撮像基板１２への入射光３０が通過する光路に設けられる。液晶フィルタ２５は、第３の方向においてマイクロレンズアレイ２０の直下に設けられる。カラーフィルタ１４は、撮像基板１２と液晶フィルタ２５との間に設けられる。

第２の実施形態の変形例として、液晶フィルタ２５は、カラーフィルタ１４と配線層１７との間に設けられてもよい。また、第２の実施形態の他の変形例として、液晶フィルタ２５は、配線層１７と光電変換部１８との間に設けてもよい。

図６は、撮像素子１０の回路構成の一部を示す模式図である。撮像素子１０は、複数の光電変換ユニット５５、信号線５６、駆動回路６０、相関二重サンプリング回路（以下、ＣＤＳ（Ｃｏｒｒｅｌａｔｅｄ Ｄｏｕｂｌｅ Ｓａｍｐｌｉｎｇ）回路６２と略記する）、ＡＤ変換回路６４および制御部６５を備える。

複数の光電変換ユニット５５の各々は、光電変換部１８、転送部４４、電荷排除部４６、増幅部４８、出力部５０、高電位部５２および電荷電圧変換部５３を有する。複数の光電変換ユニット５５は、第１の方向に沿って配置される。本例では、光電変換ユニット５５−１から５５−７が、第１の方向に沿って配置される。光電変換ユニット５５−１から５５−７は、信号線５６−１に電気的に接続される。第１方向において隣り合う２つの光電変換ユニット５５は、切替部５４を介して電気的に接続される。なお、第１の方向に沿って配置されるユニットの数は７つには限定されない。

第２方向においても、複数の光電変換ユニット５５が設けられる。本例では、第１の方向に沿って配置された複数の光電変換ユニット５５−１から５５−７を含む一組と同様に、複数の組が第２の方向に沿って配置される。

光電変換部１８には、分光特性を有するカラーフィルタ１４が近接して設けられる。光電変換部１８は、当該カラーフィルタ１４を介して入射した光の光量に応じて電荷を生成（光電変換）する。また、光電変換部１８は、光電変換された電荷を蓄積する。なお、蓄積される電荷は、例えば電子である。

転送部４４は、光電変換部１８と電荷電圧変換部５３との間に設けられる。本例では、転送部４４は、ゲート、ソースおよびドレインを有するトランジスタである。駆動回路６０から転送部４４のゲートに制御信号が与えられると、転送部４４は、光電変換部１８に蓄積された電荷を電荷電圧変換部５３に転送する。

電荷排除部４６は、高電位部５２と電荷電圧変換部５３との間に設けられる。本例では、電荷排除部４６は、ゲート、ソースおよびドレインを有するトランジスタである。駆動回路６０から電荷排除部４６のゲートに制御信号が与えられると、電荷排除部４６は、電荷電圧変換部５３の電位を高電位部５２とほぼ同じ電位にする。本例では、電荷排除部４６は、電荷電圧変換部５３に蓄積された電子を排除する。

増幅部４８は、出力部５０と高電位部５２との間に設けられる。本例では、増幅部４８は、ゲート、ソースおよびドレインを有するトランジスタである。増幅部４８のゲートは、電荷電圧変換部５３に電気的に接続される。これにより、増幅部４８は、電荷電圧変換部５３の電圧を、増幅した電圧で電流を出力部５０に出力する。

出力部５０は、増幅部４８と信号線５６との間に設けられる。本例では、出力部５０は、ゲート、ソースおよびドレインを有するトランジスタである。駆動回路６０から出力部５０のゲートに制御信号が与えられると、出力部５０は、増幅部４８が増幅した電圧で電流を信号線５６に出力する。これにより、増幅された電荷電圧変換部５３の電圧に応じた信号が、信号線５６に信号として出力される。

高電位部５２は、電源電圧（Ｖ_ＤＤ）に電気的に接続される。高電位部５２は、電荷排除部４６および増幅部４８に高電位を供給する。当該高電位は、電荷排除部４６の電荷排除動作および増幅部４８の増幅動作を実行できれば任意の電位としてよい。なお、光電変換ユニット５５−１から２５−７には、共通の電源電圧（Ｖ_ＤＤ）が電気的に接続される。

電荷電圧変換部５３には、転送部４４から転送された電荷が蓄積される。本例では、電荷電圧変換部５３は、いわゆる浮遊拡散（Ｆｌｏａｔｉｎｇ Ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ）領域である。電荷電圧変換部５３は、一端が転送部４４の出力に電気的に接続され、かつ、他の一端が接地されたコンデンサであってよい。転送部４４から転送された電荷は、電荷電圧変換部５３の当該他の一端に蓄積される。これにより、電荷電圧変換部５３において、蓄積された電荷が電位に変換される。なお、増幅部４８のゲートの電位は、電荷電圧変換部５３の当該一端の電位と等しくなる。

切替部５４は、隣り合う複数の光電変換ユニット５５における電荷電圧変換部５３の電気的接続をオンオフする。切替部５４がオン状態の場合、隣り合う光電変換ユニット５５の電荷電圧変換部５３は電気的に接続されて、ほぼ同電位となる。切替部５４がオフ状態の場合、隣り合う光電変換ユニット５５の電荷電圧変換部５３は電気的に接続されない。

信号線５６には、第１の方向に沿って配置された複数の光電変換ユニット５５におけるそれぞれの出力部５０から信号が出力される。出力された信号は、ＣＤＳ回路６２へ入力される。

ＣＤＳ回路６２は、一つの信号線５６に対応して一つ設けられる。ＣＤＳ回路６２は、あるタイミングにおいて、電荷排除部４６をオンすることにより電荷電圧変換部５３に一旦蓄積された電荷が排除された状態（リセット状態）の出力部５０の出力信号（Ｓ_Ｒ）を記録する。次に、電荷排除部４６をオフ、かつ、転送部４４、増幅部４８および出力部５０をオンすることにより、リセット状態の後、ＣＤＳ回路６２は電荷電圧変換部５３に電荷が蓄積された状態（蓄積状態）における出力部５０の出力信号（Ｓ_Ｓ）を記録する。

そして、ＣＤＳ回路６２は、Ｓ_ＲとＳ_Ｓとの差を計算する。当該Ｓ_ＲとＳ_Ｓとの差を画像の信号として用いることにより、複数の光電変換ユニット５５間での増幅部４８の閾値バラつきに起因する画像劣化を低減することができる。なお、以降の実施例の説明において、ＣＤＳ回路の動作について言及しないが、各実施例の撮像素子はＣＤＳ回路６２を利用して動作してよい。

ＡＤ変換回路６４は、ＣＤＳ回路６２ごとに一つ設けられる。ＡＤ変換回路６４は、ＣＤＳ回路６２が出力したアナログ信号（Ｓ_ＲとＳ_Ｓとの差）をデジタル信号に変換する。これにより、光電変換部１８への入射光量に応じたアナログ情報が、デジタル情報に変換される。最終的には、各光電変換部１８に対応するデジタル情報が、画像としてディスプレイに表示される。

制御部６５は、駆動回路６０を制御することにより、転送部４４、電荷排除部４６、出力部５０および切替部５４を動作させる。つまり、制御部６５は、転送部４４、電荷排除部４６、出力部５０および切替部５４におけるゲートへのパルスタイミングを制御することにより、転送部４４、電荷排除部４６、出力部５０および切替部５４を制御する。

制御部６５は、第１の方向および第２の方向において、複数の光電変換ユニット５５を動作させる。同じ時間タイミングにおいては、第２の方向における複数の光電変換ユニット５５の動作を同時に動作させてよい。本例では、制御部６５は、異なる信号線５６に接続された、第２の方向における複数の光電変換ユニット５５を同じタイミングで動作させる。また、制御部６５は、ＣＤＳ回路６２およびＡＤ変換回路６４等の動作を制御する。

図７は、撮像素子１０において２つの光電変換部１８を電荷加算する例を示す図である。２つの光電変換部を電荷加算する例を説明するために図６の光電変換ユニット５５−１、５５−２および５５−３を用いる。下記では、光電変換ユニット５５−１および光電変換ユニット５５−３間での電荷加算について説明するので、ユニット５５−２についての説明は省略する。

光電変換ユニット５５−１は、光電変換部１８−１、転送部４４−１、電荷排除部４６−１、増幅部４８−１および出力部５０−１を有する。光電変換ユニット５５−３は、光電変換部１８−３、転送部４４−３、電荷排除部４６−３、増幅部４８−３および出力部５０−３を有する。光電変換部１８、転送部４４、電荷排除部４６、増幅部４８および出力部５０の各機能は上述の通りである。

電荷加算部５８は、電荷電圧変換部５３−１、電荷電圧変換部５３−３、ならびに、電荷電圧変換部５３−１および電荷電圧変換部５３−３を接続する接続部を有する。当該接続部は、電荷電圧変換部５３−１、電荷電圧変換部５３−３、切替部５４−１および切替部５４−２ならびにこれらを接続する配線を含む。

制御部６５は、駆動回路６０を制御することにより、転送部４４−１の電荷転送動作を行うタイミングと転送部４４−３の電荷転送動作を行うタイミングとを制御する。制御部６５はまた、駆動回路６０を制御することにより、電荷排除部４６−１および電荷排除部４６−３の動作タイミングを制御する。

転送部４４−１は、光電変換部１８−１で蓄積された電荷を電荷加算部５８の電荷電圧変換部５３−１へ転送する。転送部４４−３は、光電変換部１８−３で蓄積された電荷を電荷加算部５８の電荷電圧変換部５３−３へ転送する。

転送部４４が電荷排除動作を行った後から、転送部４４が電荷転送動作を行うまでの期間が、電荷蓄積期間となる。なお、電荷排除動作以前に、光電変換部１８に蓄積された電荷は、画像を形成するためには不要である。そこで、電荷排除動作では、光電変換部１８に蓄積されていた電荷が電荷加算部５８の電荷電圧変換部５３に排出される。そして、電荷電圧変換部５３に排出された電荷は、電荷排除部４６により排除される。なお、電荷排除部４６が電荷電圧変換部５３に排出された電荷を排除する動作は、電荷蓄積期間において複数回行われてもよい。

電荷排除動作の後から、電荷転送動作を行うまで期間において、光電変換部１８に電荷が蓄積される。そして、電荷転送動作により、光電変換部１８に蓄積された電荷が電荷加算部５８の電荷電圧変換部５３に排出される。

制御部６５は、駆動回路６０を制御することにより、切替部５４−１および切替部５４−２の切替動作を行うタイミングを制御する。電荷電圧変換部５３−１および電荷電圧変換部５３−３に電荷が存在する場合に、切替部５４−１および切替部５４−２がオン状態であれば、電荷電圧変換部５３−１および電荷電圧変換部５３−３における電荷は、切替部５４−１および切替部５４−２を通じて加算されることとなる。

切替部５４−１および切替部５４−２がオン状態であれば、電荷加算部５８は、一の光電変換部１８−１で蓄積された電荷と、他の一の光電変換部１８−３で蓄積された電荷とを加算する。電荷加算により、電荷電圧変換部５３−１および５３−３が等しい電位となる。電荷が加算された状態において、制御部６５が出力部５０−１および５０−３のいずれか一方をオンする。これにより、出力部５０−１および５０−３はそれぞれ、電荷加算部５８で加算された電荷に応じた信号を信号線５６−１へ出力する。

光電変換部１８−１および１８−３に対応して設けられた液晶フィルタ２５の領域２７の透過率が１：２である場合を例にとり電荷加算を説明する。光電変換部１８−１には電荷がＱ、光電変換部１８−３には電荷が２Ｑだけ蓄積される。ここで、電荷電圧変換部５３−１および電荷電圧変換部５３−３の容量はそれぞれ等しいＣであると仮定する。転送部４４−１および転送部４４−３を同時にオンすることにより、電荷電圧変換部５３−１に電荷（Ｑ）が、電荷電圧変換部５３−３に電荷（２Ｑ）がそれぞれ転送される。なお、転送部４４および電荷加算部５８におけるトランジスタのオン抵抗は無視できると仮定する。電荷電圧変換部５３−１および電荷電圧変換部５３−３の電圧は、それぞれＶ（＝Ｑ／Ｃ）および２Ｖ（＝２Ｑ／Ｃ）となる。

ここで、切替部５４−１および切替部５４−２をオンすることにより、電荷加算部５８において電荷（Ｑ）および電荷（２Ｑ）が加算される。電荷加算部５８において電荷は合計３Ｑ存在する。電荷電圧変換部５３−１および電荷電圧変換部５３−３の合計容量は２Ｃであるので、電荷電圧変換部５３−１および電荷電圧変換部５３−３はそれぞれ３Ｖ／２（＝３Ｑ／２Ｃ）の電圧となる。そして、増幅部４８−３および出力部５０−３をオンすると、電荷電圧変換部５３−３の電圧に応じた電流が、信号線５６−１に信号として出力される。

ここで、制御部６５は、ＡＤ変換回路６４よりも後段に設けられる信号処理部６６に対して、切替部５４−１および５４−２をオンにしたこと、および、液晶フィルタ２５の透過率の比が１：２であることを伝えてよい。これにより信号処理部６６は、電荷が加算された信号が出力されたことがわかる。

信号処理部６６に信号が入力される前に、電荷加算部５８において電荷の重み付けが完了する。これにより、重み付け処理をするに当たり、信号処理部６６の処理を簡単にすることができる。また、電荷加算部５８での重み付けにより、信号処理部６６が読出しを行う行数が経る。したがって、信号処理部６６は、重み付けを行わない場合に比べて高速に動作することができる。

変形例として、制御部６５は、光電変換部１８に蓄積された電荷に応じた信号を、光電変換部１８ごとに個別に読み出させてもよい。光電変換部１８を個別に読出す場合、切替部５４−１および切替部５４−２をオフにして、かつ、出力部５０−１および５０−３をそれぞれ異なるタイミングでオンする。

そして、転送部４４−３は、光電変換部１８−１からの転送とは独立に、光電変換部１８−３で蓄積された電荷を電荷電圧変換部５３−３に転送する。出力部５０−１は、光電変換部１８−１から独立に転送された電荷に応じた各々のアナログ信号を信号線５６−１へ出力する。また、出力部５０−３は、光電変換部１８−３から独立に転送された電荷に応じたアナログ信号を、信号線５６−１へ出力する。そして、制御部６５は電荷加算部５８を機能させず、信号処理部６６が、出力部５０−１および５０−３から出力された各々のアナログ信号を加算する。制御部６５は、電荷加算部５８を用いた重み付け、および、電荷加算部５８を用いない個別読出しを切り替えて、撮像素子１０または４０を動作させてよい。

図８は、撮像素子１０における回路構成の第１の変形例を示す図である。撮像素子７０においては、１つの光電変換ユニット７５は、複数の光電変換部１８および複数の転送部４４を有する点において、第１の実施形態の撮像素子１０と異なる。本例では、１つの光電変換ユニット７５は、２つの光電変換部１８および２つの転送部４４を有する。

なお、１つの光電変換ユニット７５は、電荷排除部４６、増幅部４８、出力部５０および電荷電圧変換部５３を各１つずつ有する。光電変換部１８、転送部４４、電荷排除部４６、増幅部４８、出力部５０、高電位部５２、電荷電圧変換部５３、切替部５４、信号線５６、駆動回路６０、ＣＤＳ回路６２、ＡＤ変換回路６４ならびに制御部６５の接続関係および機能は、撮像素子１０と同じである。

図９は、第１の変形例において３つの光電変換部１８を電荷加算する例のタイミングチャート図である。本例では、特に赤色（Ｒ）フィルタＲ_１、Ｒ_３およびＲ_５に対応して設けられた光電変換部１８−１、１８−３、１８−５に蓄積された電荷が１：２：１の比率で電荷加算される例を説明する。なお、光電変換部１８、転送部４４、電荷排除部４６および出力部５０の位置については、図８に付した符号も合わせて参照する。

光電変換部１８−１に電気的に接続された転送部４４−１（ＴＸ１）は、タイミングｔ_１でオンする。これにより転送部４４−１は、光電変換部１８−１に蓄積された電荷を電荷電圧変換部５３−１に排除する（電荷排除動作）。そして、当該電荷は、電荷電圧変換部５３−１に蓄積される。当該電荷排除動作のタイミングから、光電変換部１８−１における電荷蓄積期間が開始する。

電荷排除部４６−１（ＲＳＴ１）は、タイミングｔ_５でオンする。これにより電荷排除部４６−１は、電荷排除動作により電荷電圧変換部５３−１に排除された電荷を排除する。

転送部４４−１（ＴＸ１）は、タイミングｔ_８で再びオンする。これにより転送部４４−１は、光電変換部１８−１に蓄積された電荷を電荷電圧変換部５３−１に転送する（電荷転送動作）。タイミングｔ_８までで、光電変換部１８−１における電荷蓄積期間が終了するする。つまり、転送部４４−１（ＴＸ１）がオンするタイミング（タイミングｔ_１）から転送部４４−１（ＴＸ１）が次にオンするタイミング（タイミングｔ_８）までの期間が、赤色（Ｒ）フィルタＲ_１に対応して設けられた光電変換部１８−１の電荷蓄積期間となる。

同様に、光電変換部１８−３および１８−５における電荷蓄積期間もまた、転送部４４がオンするタイミング（タイミングｔ_１）から、転送部４４が次にオンするタイミング（タイミングｔ_８）までの期間となる。本例では、光電変換部１８−１、１８−３および１８−５における電荷蓄積期間は同一である。

タイミングｔ_８においては、切替部５４−１（ＣＯＮ ２＿３）および切替部５４−２（ＣＯＮ ４＿５）が同時にオンする。したがって、電荷電圧変換部５３−１、５３−２および５３−３に蓄積された電荷は互いに加算される。よって、電荷電圧変換部５３−１、５３−２および５３−３の電圧は等しくなる。

なお、タイミングｔ_８においては、出力部５０−２（ＳＥＬ２）がオン状態である。したがって、加算された電荷に応じた信号が信号線５６−１へ出力される。これにより、赤色（Ｒ）フィルタＲ_１、Ｒ_３およびＲ_５に対応して設けられた光電変換部１８−１、１８−３および１８−５に蓄積された電荷を加算することができる。よって、Ｒ_１、Ｒ_３およびＲ_５を用いて、赤色（Ｒ）フィルタに対応する画素信号を１：２：１の比で重み付けすることができる。

図１０は、撮像素子１０における回路構成の第２の変形例を示す図である。撮像素子８０において、電荷排除部４６、増幅部４８、出力部５０および電荷電圧変換部５３の各１つに対して、同一の分光特性を有するフィルタが対応して設けられた光電変換部１８が４つずつ設けられる点が、第１の実施形態の撮像素子１０と異なる。加えて、当該４つの光電変換部１８は、第１の方向において、２つの光電変換部１８を有する２つの第１の光電変換ユニット８５の間に、２つの光電変換部１８を有する第２の光電変換ユニット８６を備える点が異なる。

本例では、第１の方向において順に、光電変換ユニット８５−１、光電変換ユニット８６−１、光電変換ユニット８５−２、および、光電変換ユニット８６−２が設けられている。光電変換ユニット８５−１は、赤色（Ｒ）のフィルタが対応して設けられた光電変換部１８−１および１８−２を有する。光電変換ユニット８６−１は、緑色（Ｇ）のフィルタが対応して設けられた光電変換部１８−３および１８−４を有する。光電変換ユニット８５−２は、赤色（Ｒ）のフィルタが対応して設けられた光電変換部１８−５および１８−６を有する。光電変換ユニット８６−２は、緑色（Ｇ）のフィルタが対応して設けられた光電変換部１８−７および１８−８を有する。

光電変換部１８−１、１８−２、１８−５および１８−６は、それぞれ転送部４４−１、４４−２、４４−５および４４−６に接続される。転送部４４−１、４４−２、４４−５および４４−６は、電荷電圧変換部５３−１に共通に接続される。電荷排除部４６−１、増幅部４８−１、出力部５０−１および高電位部５２の構成は、第１の実施形態における撮像素子１０と同様である。

光電変換部１８−３、１８−４、１８−７および１８−８は、それぞれ転送部４４−３、４４−４、４４−７および４４−８に接続される。転送部４４−３、４４−４、４４−７および４４−８は、電荷電圧変換部５３−２に共通に接続される。電荷排除部４６−２、増幅部４８−２、出力部５０−２および高電位部５２の構成は、第１の実施形態における撮像素子１０と同様である。

また、第１の方向において順に、光電変換ユニット８５−３、８６−３、８５−４および８６−４が設けられている。光電変換ユニット８５−３は、赤色（Ｒ）のフィルタが対応して設けられた光電変換部１８−９および１８−１０を有する。光電変換ユニット８６−３は、緑色（Ｇ）のフィルタが対応して設けられた光電変換部１８−１１および１８−１２を有する。光電変換ユニット８５−４は、赤色（Ｒ）のフィルタが対応して設けられた光電変換部１８−１３および１８−１４を有する。光電変換ユニット８６−４は、緑色（Ｇ）のフィルタが対応して設けられた光電変換部１８−１５および１８−１６を有する。

光電変換部１８−９、１８−１０、１８−１３および１８−１４は、それぞれ転送部４４−９、４４−１０、４４−１３および４４−１４に接続される。転送部４４−９、４４−１０、４４−１３および４４−１４は、電荷電圧変換部５３−３に共通に接続される。電荷排除部４６−３、増幅部４８−３、出力部５０−３および高電位部５２の構成は、第１の実施形態における撮像素子１０と同様である。

光電変換部１８−１１、１８−１２、１８−１５および１８−１６は、それぞれ転送部４４−１１、４４−１２、４４−１５および４４−１６に接続される。転送部４４−１１、４４−１２、４４−１５および４４−１６は、電荷電圧変換部５３−４に共通に接続される。電荷排除部４６−４、増幅部４８−４、出力部５０−４および高電位部５２の構成は、第１の実施形態における撮像素子１０と同様である。

電荷加算部５８は、同色のカラーフィルタが設けられた第１の光電変換ユニット８５同士または第２の光電変換ユニット８６同士を電気的に接続する。本例では、電荷加算部５８−１は、電荷電圧変換部５３−１、切替部５４−１および電荷電圧変換部５３−３を有する。切替部５４−１は、電荷電圧変換部５３−１および電荷電圧変換部５３−３の間に設けられる。電荷加算部５８−１は、電荷電圧変換部５３−１および５３−３に蓄積された電荷を、切替部５４−１を通じて加算する。これにより、光電変換部１８−１、１８−２、１８−５および１８−６、ならびに、光電変換部１８−９、１８−１０、１８−１３および１８−１４において蓄積された電荷が加算される。

電荷加算部５８−２は、電荷電圧変換部５３−２、切替部５４−２および電荷電圧変換部５３−４を有する。切替部５４−２は、電荷電圧変換部５３−２および電荷電圧変換部５３−４の間に設けられる。電荷加算部５８−２は、電荷電圧変換部５３−２および５３−４に蓄積された電荷を切替部５４−２を通じて加算する。これにより、光電変換部１８−３、１８−４、１８−７および１８−８、ならびに、光電変換部１８−１１、１８−１２、１８−１５および１８−１６において蓄積された電荷が加算される。

なお、電荷排除部４６、増幅部４８、出力部５０、電荷電圧変換部５３、高電位部５２、信号線５６、駆動回路６０、ＣＤＳ回路６２、ＡＤ変換回路６４および制御部６５の接続関係および機能は、第１の実施形態の撮像素子１０と同じである。

本例では、電荷排除部４６、増幅部４８、出力部５０および電荷電圧変換部５３の各１つに対して、４つの光電変換部１８を設けた。４つの光電変換部１８からの信号を出力するために７つのトランジスタ（光電変換部１８に４つのトランジスタ、電荷排除部４６、増幅部４８、出力部５０および電荷電圧変換部５３の各１つのトランジスタ）を用いた、いわゆる１．７５トランジスタの構成である。

なお、第１の実施形態は、２つの光電変換部１８からの信号を出力するために５つのトランジスタ（光電変換部１８に２つのトランジスタ、電荷排除部４６、増幅部４８、出力部５０および電荷電圧変換部５３の各１つのトランジスタ）を用いたので、いわゆる２．５トランジスタの構成である。本例のように、１．７５トランジスタの構成にすることにより、光電変換部１８一つあたりに必要なトランジスタの数を減らすことができる。また、これにより、消費電力を減らすことができる。

なお本例では、電荷排除部４６、増幅部４８、出力部５０および電荷電圧変換部５３の各１つずつに対して、同一の分光特性を有するフィルタが設けられる４つの光電変換部１８が配置された。しかし、同一の分光特性を有するフィルタが設けられる光電変換部１８の数は、４つに限定されない。例えば、４つではなく５つとしてもよい。

以上、本発明を実施の形態を用いて説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施の形態に記載の範囲には限定されない。上記実施の形態に、多様な変更又は改良を加えることが可能であることが当業者に明らかである。その様な変更又は改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれ得ることが、特許請求の範囲の記載から明らかである。

特許請求の範囲、明細書、および図面中において示した装置、システム、プログラム、および方法における動作、手順、ステップ、および段階等の各処理の実行順序は、特段「より前に」、「先立って」等と明示しておらず、また、前の処理の出力を後の処理で用いるのでない限り、任意の順序で実現しうることに留意すべきである。特許請求の範囲、明細書、および図面中の動作フローに関して、便宜上「まず、」、「次に、」等を用いて説明したとしても、この順序で実施することが必須であることを意味するものではない。

１０ 撮像素子、１２ 撮像基板、１３ 画素領域、１４ カラーフィルタ、１５ パッシベーション膜、１６ 配線、１７ 配線層、１８ 光電変換部、１９ 複数のトランジスタ、２０ マイクロレンズアレイ、２５ 液晶フィルタ、２７ 領域、３０ 入射光、４０ 撮像素子、４４ 転送部、４６ 電荷排除部、４８ 増幅部、５０ 出力部、５２ 高電位部、５３ 電荷電圧変換部、５４ 切替部、５５ 光電変換ユニット、５６ 信号線、５８ 電荷加算部、６０ 駆動回路、６２ ＣＤＳ回路、６４ ＡＤ変換回路、６５ 制御部、６６ 信号処理部、７０ 撮像素子、７５ 光電変換ユニット、８０ 撮像素子、８５ 光電変換ユニット、８６ 光電変換ユニット、２００ 撮像素子部、３４０ シャッタユニット、４１０ 光軸、４００ 一眼レフカメラ、５００ レンズユニット、５５０ レンズマウント、６００ カメラボディ、６２０ ボディ基板、６２２ ＣＰＵ、６２４ 画像処理ＡＳＩＣ、６３４ 背面表示部、６５０ ファインダ、６５２ ピント板、６５４ ペンタプリズム、６５６ ファインダ光学系、６６０ ボディマウント、６７０ ミラーボックス、６７２ メインミラー、６７４ サブミラー、６８０ 合焦光学系、６８２ 焦点検出センサ

Claims (11)

1. 光学系からの光が入射される部材であって透過率が可変に制御される第１部材と、
   前記光学系からの光が入射される部材であって透過率が可変に制御される第２部材と、
   前記第１部材からの光を電荷に変換する第１光電変換部と、
   前記第２部材からの光を電荷に変換する第２光電変換部と、
   前記第１光電変換部で変換された電荷を転送する第１転送部と、
   前記第２光電変換部で変換された電荷を転送する第２転送部と、
   前記第１転送部により前記第１光電変換部からの電荷が転送される第１電荷電圧変換部と、
   前記第２転送部により前記第２光電変換部からの電荷が転送される第２電荷電圧変換部と、
   前記第１部材の透過率が前記第２部材の透過率とは異なるように制御されると、前記第１光電変換部からの電荷と前記第２光電変換部からの電荷とが加算されるように前記第１電荷電圧変換部と前記第２電荷電圧変換部とを電気的に接続する加算部と、
   を備える撮像素子。
2. 前記第２転送部は、前記第１部材の透過率が前記第２部材の透過率とは異なるように制御されると、前記第１転送部により前記第１光電変換部から前記第１電荷電圧変換部に電荷が転送されているときに前記第２光電変換部から前記第２電荷電圧変換部に電荷を転送する請求項１に記載の撮像素子。
3. 前記加算部は、前記第１電荷電圧変換部及び前記第２電荷電圧変換部に接続されるトランジスタを有する請求項１または２に記載の撮像素子。
4. 前記光学系の光軸方向において前記第１部材と前記第１光電変換部との間に配置され、前記第１部材からの光を前記第１光電変換部に導く第１マイクロレンズと、
   前記光学系の光軸方向において前記第２部材と前記第２光電変換部との間に配置され、前記第２部材からの光を前記第２光電変換部に導く第２マイクロレンズと、
   を備える請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の撮像素子。
5. 前記第１部材及び前記第２部材は、液晶フィルタである請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の撮像素子。
6. 光学系からの光が入射される部材であって透過率が可変に制御される第３部材と、
   前記第３部材からの光を電荷に変換する第３光電変換部と、
   前記第３光電変換部で変換された電荷を転送する第３転送部と、
   前記第３転送部により前記第３光電変換部からの電荷が転送される第３電荷電圧変換部と、を備え、
   前記加算部は、前記第１部材の透過率が前記第３部材の透過率とは異なるように制御されると、前記第１光電変換部からの電荷と前記第３光電変換部からの電荷とが加算されるように前記第１電荷電圧変換部と前記第３電荷電圧変換部とを電気的に接続する請求項１に記載の撮像素子。
7. 前記第１電荷電圧変換部に接続されるゲートを有する第１増幅部と、
   前記第２電荷電圧変換部に接続されるゲートを有する第２増幅部と、
   前記第３電荷電圧変換部に接続されるゲートを有する第３増幅部と、
   前記第１増幅部と信号線との間を電気的に接続する第１出力部と、
   前記第１部材の透過率が前記第２部材の透過率とは異なるように制御されると、前記第１出力部により前記第１増幅部と信号線との間が電気的に接続されているときに前記第２増幅部と前記信号線との間を電気的に接続する第２出力部と、
   前記第１部材の透過率が前記第３部材の透過率とは異なるように制御されると、前記第１出力部により前記第１増幅部と信号線との間が電気的に接続されているときに前記第３増幅部と前記信号線との間を電気的に接続する第３出力部と、
   を備える請求項６に記載の撮像素子。
8. 前記加算部は、前記第１電荷電圧変換部及び前記第２電荷電圧変換部に接続されるトランジスタと、前記第１電荷電圧変換部及び前記第３電荷電圧変換部に接続されるトランジスタと、を有する請求項６または７に記載の撮像素子。
9. 前記光学系の光軸方向において前記第１部材と前記第１光電変換部との間に配置され、前記第１部材からの光を前記第１光電変換部に導く第１マイクロレンズと、
   前記光学系の光軸方向において前記第２部材と前記第２光電変換部との間に配置され、前記第２部材からの光を前記第２光電変換部に導く第２マイクロレンズと、
   前記光学系の光軸方向において前記第３部材と前記第３光電変換部との間に配置され、前記第３部材からの光を前記第３光電変換部に導く第３マイクロレンズと、
   を備える請求項６から請求項８のいずれか一項に記載の撮像素子。
10. 前記第１部材、前記第２部材及び前記第３部材は、液晶フィルタである請求項６から請求項９のいずれか一項に記載の撮像素子。
11. 請求項１から請求項１０のいずれか一項に記載の撮像素子を備える撮像装置。