JP6422306B2

JP6422306B2 - 撮像装置及びその制御方法

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Publication number: JP6422306B2
Application number: JP2014224672A
Authority: JP
Inventors: 大嶋　孝治; 孝治大嶋
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Filing date: 2014-11-04
Publication date: 2018-11-14
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Description

本発明は、撮像装置及びその制御方法に関する。

固体撮像素子を用いた撮像装置において、ＴＯＦ（Time Of Flight）法と呼ばれる手法による距離情報検出機能を有するものが知られている。ＴＯＦ法は、被写体への投光から反射光を受けるまでの遅延時間を測定して距離検出を行うものであり、ＴＯＦ法で用いられる固体撮像素子は、画素の構成上、撮影画像についても取得可能である。

特許文献１には、ＴＯＦ法及びその関連技術が開示されている。画素構成としては、１つのフォトダイオード（ＰＤ）に対して、２つのフローティングデフュージョン（ＦＤ）と２つの転送スイッチとを有している。ＴＯＦ法による測距動作時には、投光するタイミングと同期させて２つの転送スイッチを交互に開閉させることで、反射光により発生した電荷を１つのＰＤから２つのＦＤへと振り分け、振り分けられた電荷の配分比により被写体までの距離情報を得る。また、同画素構成によれば、得られる２つのＦＤに蓄積された電荷を加算演算処理することにより、距離情報取得とともに、撮影画像となる輝度情報も得られるとしている。

また、特許文献２には、画素構成が１つのＰＤに対して、１つのＦＤとオン抵抗が異なる複数の転送スイッチとを有するものが開示されている。転送スイッチのオン抵抗を異ならせることで、各転送スイッチの駆動時における対数特性感度を異ならせ、被写体輝度に応じた使い分けをすることで適切な感度やダイナミックレンジでの撮影画像の取得を可能としている。

特開２００４−２９４４２０号公報特開２０１２−１１９７７５号公報

特許文献１に記載の技術では、撮影画像の取得に関しても、２つの転送スイッチの双方を駆動することで撮影画像の取得を行う。したがって、何れか一方の転送スイッチを含む回路側でリーク現象等の何かしらの不具合が生じると、撮影画像の画質劣化を起こしてしまう。固体撮像素子は、近年では高画素数化及び回路の微細化が進み、転送スイッチやその周辺回路も含めて、すべての画素を適正な信号出力を得られるものとして製造することは非常に困難である。このため、固体撮像素子には正常に動作しない欠陥画素が含まれることがあり、２つの転送スイッチの双方を駆動して得られる信号出力は、リーク現象等の不具合が含まれる可能性が高いものとなってしまう。本発明の目的は、画素が１つのフォトダイオードに対して複数の転送スイッチを有する固体撮像素子内での回路欠陥による撮影画像の画質劣化を抑制することを可能にした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、光電変換部、前記光電変換部で発生した電荷を保持する第１の浮遊拡散領域、前記光電変換部で発生した電荷を保持する第２の浮遊拡散領域、前記光電変換部から前記第１の浮遊拡散領域への電荷の転送を制御する第１の転送スイッチ、及び前記光電変換部から前記第２の浮遊拡散領域への電荷の転送を制御する第２の転送スイッチをそれぞれ有する複数の画素が行列状に配された固体撮像素子と、第１の動作時には、所定の選択データに基づいて、行毎に前記第１の転送スイッチ及び前記第２の転送スイッチの内の一方の転送スイッチを駆動するとともに他方の転送スイッチを駆動せずに前記画素から画素信号が読み出されるように制御し、第２の動作時には、前記第１の転送スイッチ及び前記第２の転送スイッチの双方を交互に駆動して前記画素から画素信号が読み出されるように制御する制御手段とを有することを特徴とする。

本発明によれば、第１の動作時には固体撮像素子内における回路欠陥等の影響の少ない信号を出力することができ、画質劣化が抑制された良好な撮影画像を取得することが可能となる。

本発明の実施形態における撮像装置の構成例を示す図である。本実施形態における固体撮像素子の単位画素の構成例を示す図である。本実施形態における固体撮像素子の構成例を示す図である。本実施形態における固体撮像素子の画像撮影モードでの駆動例を示すタイミングチャートである。本実施形態における固体撮像素子の画像撮影モードでの駆動例を示すタイミングチャートである。本実施形態における固体撮像素子のＴＯＦ測距モードでの駆動例を示すタイミングチャートである。本実施形態におけるＴＯＦ方式による測距を説明するための図である。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。

図１は、本発明の一実施形態における撮像装置１２の構成例を示すブロック図である。図１において、固体撮像素子１は、例えばＣＭＯＳ撮像素子であり、不図示の撮影レンズで結像された被写体像を光電変換する。固体撮像素子１は、本実施形態に示す例では、１画素単位において１つのフォトダイオード（ＰＤ）と２つの転送トランジスタと２つのフローティングディフュージョン（ＦＤ）とを有する。固体撮像素子１は、撮影画像及びＴＯＦ（Time Of Flight）方式における距離情報となる画素信号の出力を行う。

アナログフロントエンド部（ＡＦＥ：Analog Front End）２は、固体撮像素子１からの信号の増幅や基準レベルの調整（クランプ処理）等を行う信号処理回路である。また、ＡＦＥ２は、各種処理を施したアナログ信号をデジタル信号に変換する。デジタルフロントエンド部（ＤＦＥ：Digital Front End）３は、ＡＦＥ２で変換された各画素のデジタル信号を受けて画像信号の補正や画素の並び替え等のデジタル処理等を行う。

画像処理回路５は、現像処理を行って表示回路８に画像を表示したり、制御回路６を介して画像を記録媒体９に記録したりする、といった処理を行う。画像処理回路５は、ＴＯＦ方式による画素信号からの距離演算処理や、固体撮像素子１の欠陥画素についての画素信号の補間処理も行う。制御回路６は、撮像装置１２が有する各機能部を制御する。制御回路６は、例えば、操作部７からの指示やメモリ回路４に記憶されている情報に基づきタイミング発生回路１０に命令を送る。また、制御回路６は、例えば、ＴＯＦ方式による測距動作時に駆動される投光回路１１の制御等を行う。

メモリ回路４は、画像処理回路５の現像段階での作業用メモリとして、及び連続撮影等で撮影画像を保持するバッファメモリとして使用される。また、メモリ回路４は、製造工場等にて予め抽出された固体撮像素子１の欠陥画素のアドレス及び欠陥レベル等の欠陥画素データが保存されている。なお、後述する通常の撮影動作を行う画像撮影モードにおいて参照される行の選択データについても、メモリ回路４に保存されている。

操作部７は、撮像装置１２を起動させるための電源スイッチや撮像動作を行わせるためのシャッタースイッチ等が含まれる。シャッタースイッチは、測光処理や測距処理等の撮影準備動作の開始やミラー、シャッターを駆動して固体撮像素子１から読み出した信号を処理して記録媒体９に書き込む一連の撮像動作の開始を指示するスイッチである。また、操作部７は、撮像装置１２の動作モードの設定を行うモードスイッチも含まれ、モードスイッチの設定により、ＴＯＦ方式による測距動作を行うＴＯＦ測距モードや通常の撮影動作を行う画像撮影モードの設定及び切り換えが行われる。

タイミング発生回路１０は、制御回路６からの信号を受けて、固体撮像素子１及びＡＦＥ２を駆動する各制御信号についてタイミングの生成及び出力を行う。投光回路１１は、制御回路６からの制御信号Ｐｌｉｇｈｔを受けて、ＴＯＦ方式による測距動作時に不図示の被写体に向けて投光される光源の点灯及び消灯を行う。

図２は、本実施形態における固体撮像素子１の画素部における単位画素１００の構成例を示す回路図である。図２に示す例では、光電変換部として光信号電荷を発生するフォトダイオード１０１は、アノードが接地されている。フォトダイオード１０１のカソードは、転送スイッチとしての２つの転送トランジスタ１０２、１０３を介して、浮遊拡散領域としての２つのフローティングディフュージョン（ＦＤ）１０６、１０７に接続されている。すなわち、フォトダイオード１０１のカソードは、転送トランジスタ１０２を介してＦＤ１０６に接続され、また、転送トランジスタ１０３を介してＦＤ１０７に接続されている。

このような構成により、１つのフォトダイオード（光電変換部）にて発生した電荷が、２つの転送トランジスタ（転送スイッチ）を介して２つのＦＤ（浮遊拡散領域）の双方に保持して読み出すことができる。これにより、時系列的な出力の読み出しを可能とさせ、ＴＯＦ方式による測距動作を実現させている。なお、撮影画像の取得においては、１つの画素からの時系列的な信号の読み出しは不要であるため、どちらか一方の転送トランジスタ及びＦＤを介して電荷を出力として読み出せば良い。

ＦＤ１０６、１０７は、電荷保持部及び電荷電圧変換部として機能し、それぞれ増幅トランジスタ１０８、１１０のゲートに接続されている。また、ＦＤ１０６、１０７は、ＦＤ１０６、１０７をリセットするためのリセットトランジスタ１０４、１０５が接続されている。すなわち、ＦＤ１０６は、増幅トランジスタ１０８のゲートに接続されているとともに、リセットトランジスタ１０４が接続されている。また、ＦＤ１０７は、増幅トランジスタ１１０のゲートに接続されているとともに、リセットトランジスタ１０５が接続されている。

リセットトランジスタ１０４、１０５のドレイン、及び増幅トランジスタ１０８、１１０のドレインには、電源電圧ＶＤＤが供給されている。増幅トランジスタ１０８のソースが選択トランジスタ１０９に接続され、増幅トランジスタ１１０のソースが選択トランジスタ１１１に接続されている。

転送トランジスタ１０２は、ゲート端子に供給される制御信号ＰｔｘＡにより駆動され、フォトダイオード１０１の信号をＦＤ１０６及び増幅トランジスタ１０８のゲートに転送する。転送トランジスタ１０３は、ゲート端子に供給される制御信号ＰｔｘＢにより駆動され、フォトダイオード１０１の信号をＦＤ１０７及び増幅トランジスタ１１０のゲートに転送する。

リセットトランジスタ１０４は、ゲート端子に供給される制御信号ＰｒｅｓＡにより駆動され、ＦＤ１０６及びフォトダイオード１０１をリセットする。リセットトランジスタ１０５は、ゲート端子に供給される制御信号ＰｒｅｓＢにより駆動され、ＦＤ１０７及びフォトダイオード１０１をリセットする。このリセット後に読み出される出力信号がノイズ信号として読み出されることになる。

選択トランジスタ１０９は、ゲート端子に供給される制御信号ＰｓｅｌＡにより駆動され、接続される増幅トランジスタ１０８によって増幅された電圧信号を端子ＶｏｕｔＡへ出力する。選択トランジスタ１１１は、ゲート端子に供給される制御信号ＰｓｅｌＢにより駆動され、接続される増幅トランジスタ１１０によって増幅された電圧信号を端子ＶｏｕｔＢへ出力する。

端子ＶｏｕｔＡ、ＶｏｕｔＢは、各単位画素の同一列において、後述する図３に示す各々の垂直出力線（列出力線）Ｖｌａ、Ｖｌｂに接続される。端子ＶｏｕｔＡ側では、増幅トランジスタ１０８が、選択トランジスタ１０９を介して、垂直出力線Ｖｌａに接続された電流源負荷（垂直出力線負荷）と接続されることで、ソースフォロワアンプとして機能する。また、端子ＶｏｕｔＢ側では、増幅トランジスタ１１０が、選択トランジスタ１１１を介して、垂直出力線Ｖｌｂに接続された電流源負荷（垂直出力線負荷）と接続されることで、ソースフォロワアンプとして機能する。

図３は、本実施形態における固体撮像素子１の構成例を示す図である。画素部３００は、入射光を電気信号に変換する複数の単位画素１００が、行列状に、すなわち水平方向及び垂直方向にそれぞれ所定数繰り返して配置される。画素部３００は、図２に示した単位画素を複数有するものであるが、ここでは２行×２列分の画素のみを図示している。

なお、以下の説明においては、水平ｍ列目、垂直ｎ行目における画素について主に説明を行う。なお、図３において、各制御信号名に続く、（ｎ）はｎ行目の画素に供給される制御信号であることを示し、（ｎ＋１）は（ｎ＋１）行目の画素に供給される制御信号であることを示す。また、垂直出力線（列出力線）Ｖｌａ、Ｖｌｂに続く、（ｍ）はｍ列目の画素列に配された垂直出力線であることを示し、（ｍ＋１）は（ｍ＋１）列目の画素列に配された垂直出力線であることを示す。

垂直走査回路３０１は、タイミング発生回路１０からの信号を受けて、各制御信号ＰｒｅｓＡ、ＰｒｅｓＢ、ＰｔｘＡ、ＰｔｘＢ、Ｐｓｅｌを行単位にて順に選択して駆動する。また、垂直走査回路３０１は、通常の撮影動作を行う画像撮影モード時には、メモリ回路４に記憶されている行の選択データに基づいて出力される制御信号ＰＡ／ＰＢに応じて、各行毎に制御信号ＰｔｘＡ又はＰｔｘＢの一方のみの出力を行う。また、垂直走査回路３０１は、ＴＯＦ方式による測距動作を行うＴＯＦ測距モード時には、制御信号ＰＴＯＦに応じて、タイミングを変えて制御信号ＰｔｘＡ、ＰｔｘＢの双方を出力する。

各制御信号ＰｒｅｓＡ、ＰｒｅｓＢ、ＰｔｘＡ、ＰｔｘＢ、Ｐｓｅｌを供給するための制御信号線は、同じ画素行に配列された各単位画素に共通に接続されており、同一行における画素は同一に選択されることになる。本実施形態においては、制御信号Ｐｓｅｌは、単位画素内の制御信号ＰｓｅｌＡ、ＰｓｅｌＢの端子に共通に供給される構成としているが、制御信号ＰｓｅｌＡ、ＰｓｅｌＢ毎で異なる制御を行う制御信号を設け、各々個別に制御できるようにしてもよい。

ｍ列目に配された各単位画素１００の信号出力は、端子ＶｏｕｔＡからの出力信号が、電流源負荷である定電流源３０４ａが接続された垂直出力線Ｖｌａ（ｍ）を介して、読み出し回路３１５に入力される。また、端子ＶｏｕｔＢからの出力信号が、電流源負荷である定電流源３０４ｂが接続された垂直出力線Ｖｌｂ（ｍ）を介して、読み出し回路３１５に入力される。なお、図３において、読み出し回路３１５は、画素列ｍの１列分のみ内部構成を示しているが、水平方向の画素列分の同じ構成の回路を内部に有している。

読み出し回路３１５において、各単位画素１００の端子ＶｏｕｔＡからの出力信号は、垂直出力線Ｖｌａ（ｍ）を介して容量３０５ａに入力され、端子ＶｏｕｔＢ端子からの出力信号は、垂直出力線Ｖｌｂ（ｍ）を介して容量３０５ｂに入力される。以降、読み出し回路３１５の説明においては、垂直出力線Ｖｌａ（ｍ）とＶｌｂ（ｍ）が接続される各構成は同様の構成であるため、垂直出力線Ｖｌａ（ｍ）が接続される回路部分について主に説明を行う。垂直出力線Ｖｌｂ（ｍ）が接続される回路部分については、以下の説明における各符号の添え字ａを添え字ｂと読み替えれば良い。

オペアンプ３０６ａは、容量３０５ａ及び帰還容量３０８ａにより反転増幅アンプを構成しており、基準電圧ＶＣ０と画素部から読み出された出力信号との差分を増幅して出力する。クランプトランジスタ３０７ａは、ゲート端子に供給される制御信号Ｐｃ０ｒにより制御され、帰還容量３０８ａの両端をショートすることにより、帰還容量３０８ａのリセット及び後段の保持容量３１０ａ、３１３ａのリセットを行う。オペアンプ３０６ａの出力は、制御信号Ｐｃｔｓ、Ｐｃｔｎにより駆動される転送トランジスタ３０９ａ、３１２ａを介してそれぞれ保持容量３１０ａ、３１３ａに保持される。

なお、後述するタイミングチャートに示す駆動により、画素１００の端子ＶｏｕｔＡ側からの出力となるＦＤ１０６をリセット解除した直後のノイズ信号は保持容量３１３ａに保持され、その後ＦＤ１０６に転送した画素信号は保持容量３１０ａに保持される。また、単位画素１００の端子ＶｏｕｔＢ側からの出力となるＦＤ１０７をリセット解除した直後のノイズ信号は保持容量３１３ｂに保持され、その後ＦＤ１０７に転送した画素信号は保持容量３１０ｂに保持される。

水平走査回路３０３ａは、信号ｐｈａを出力することで、接続されている転送トランジスタ３１１ａ、３１４ａを順次オン／オフ制御する。これにより、各保持容量３１０ａ、３１３ａに保持されている画素信号及びノイズ信号が、水平出力線Ｐｓ、Ｐｎを介して差動アンプ３０２へ順次転送され、単位画素１００の端子ＶｏｕｔＡ側からの出力信号が差動アンプ３０２へ入力される。

水平走査回路３０３ｂは、信号ｐｈｂを出力することで、接続されている転送トランジスタ３１１ｂ、３１４ｂを順次オン／オフ制御する。これにより、各保持容量３１０ｂ、３１３ｂに保持されている画素信号及びノイズ信号が、水平出力線Ｐｓ、Ｐｎを介して差動アンプ３０２へ順次転送され、単位画素１００の端子ＶｏｕｔＢ側からの出力信号が差動アンプ３０２へ入力される。

差動アンプ３０２は、それぞれの画素信号とノイズ信号との差分出力を行い、最終出力として画素信号を出力する。差動アンプ３０２は、最終段読み出し回路に相当する。なお、前述した各保持容量に保持されている画素信号及びノイズ信号を、水平方向の画素列分について差動アンプ３０２へ順次転送を行うことにより１行分の画素の出力を行うこととなる。

ここで、本実施形態では、水平走査回路３０３ａ及び３０３ｂは、端子ＶｏｕｔＡ側からの出力及び端子ＶｏｕｔＢ側からの出力に対して、画像撮影モード時とＴＯＦ測距モード時とで異なる転送トランジスタのオン／オフ制御を行う。水平走査回路３０３ａ、３０３ｂには、制御信号ＰＡ／ＰＢ及び制御信号ＰＴＯＦが供給されている。制御信号ＰＡ／ＰＢ信号については、水平走査回路３０３ａには直接入力され、水平走査回路３０３ｂにはインバータ３１６を介して入力されている。

制御信号ＰＡ／ＰＢは、画像撮影モード時において、水平走査回路３０３ａ及び３０３ｂの何れか一方の水平走査回路のみの駆動の許可を行う。本実施形態では、画像撮影モード時において、制御信号ＰＡ／ＰＢがハイレベルであるとき、水平走査回路３０３ａの駆動を許可し、ローレベルであるとき、水平走査回路３０３ｂの駆動を許可する。制御信号ＰＴＯＦは、ＴＯＦ測距モード時において、水平走査回路３０３ａ、３０３ｂともに駆動の許可を行う。本実施形態では、制御信号ＰＴＯＦは、ＴＯＦ測距モード時においてハイレベルとされ、ＴＯＦ測距モード時でないときローレベルとされる。

このような構成により、固体撮像素子１からの最終出力信号は、画像撮影モード時においては、制御信号ＰｔｘＡ又はＰｔｘＢにより行選択が行われ駆動された単位画素１００の端子ＶｏｕｔＡ又はＶｏｕｔＢの何れか一方のみからの出力となる。また、ＴＯＦ測距モード時においては、単位画素１００の端子ＶｏｕｔＡ、ＶｏｕｔＢの双方からの出力となる。

図４及び図５は、本実施形態における固体撮像素子の駆動例を示すタイミングチャートであり、通常の撮影動作を行う画像撮影モード時における動作タイミングを示している。画像撮影モードは、各単位画素１００の転送トランジスタ１０２、１０３の何れか一方の転送トランジスタのみを選択して駆動させるモードである。これにより、画素信号として読み出すまでの経路での回路欠陥等による不具合に対して、行方向における不具合が少ない、つまり画素出力値のバラツキの少ない方を選択し、より画質劣化が低減化された撮影画像を取得可能とするものである。

図４には、制御信号ＰｔｘＡにより転送トランジスタ１０２のみを駆動する場合のタイミングチャートを示し、図５には、制御信号ＰｔｘＢ信号により転送トランジスタ１０３のみを駆動する場合のタイミングチャートを示している。図４及び図５に示す駆動例は、前述した説明の通り、フォトダイオード１０１から２つの転送トランジスタ１０２、１０３の内の何れかの一方の転送トランジスタを介して出力を読み出すものである。

なお、撮像装置の設定として、操作部７の動作モードスイッチにより、通常の被写体撮影を行うための画像撮影モードに設定されているものとする。また、垂直走査回路３０１には、メモリ回路４にて記憶されている行の選択データに従って制御信号ＰＡ／ＰＢ及び制御信号ＰＴＯＦが入力されている。以下の説明では、設定としてｎ行目の画素において制御信号ＰｔｘＡが選択され、（ｎ＋１）行目の画素においては制御信号ＰｔｘＢが選択されるものとする。

また、図中において信号レベルがハイレベルの状態で、駆動されるトランジスタ及びスイッチがオン（導通状態）となり、ローレベルの状態で、駆動されるトランジスタ及びスイッチがオフ（非導通状態）となるものとする。また、説明上、簡略化するため、すでに全画素リセット及び全画素蓄積開始を行うタイミングは省略し、画素信号の読み出し動作時のタイミングのみを示している。また、転送トランジスタ１０２を介してＦＤ１０６から得られる信号をＡ信号、転送トランジスタ１０３を介してＦＤ１０７から得られる信号をＢ信号と呼称することとする。

まず、図４に示すタイミングチャートについて説明する。図４は、ｎ行目の画素からの信号読み出しを説明するタイミングチャートであり、制御信号ＰｔｘＡによる転送トランジスタ１０２のみの駆動となる。

時刻ｔ０において、制御信号ＰｒｅｓＡ、ＰｒｅｓＢがハイレベルからローレベルになることで、制御信号ＰｒｅｓＡ、ＰｒｅｓＢが供給される行の画素のリセットトランジスタ１０４、１０５がオフする。これにより、その選択行の単位画素１００のＦＤ１０６、ＦＤ１０７が電源電圧ＶＤＤへのリセットから解除される。また、ｎ行目の画素においては、制御信号ＰｔｘＡによる転送トランジスタ１０２の駆動が選択されているため、制御信号ＰＡ／ＰＢがハイレベルとされ、水平走査回路３０３ａのみ駆動が許可される。

その後、時刻ｔ１にて、制御信号Ｐｓｅｌ（ｎ）がローレベルからハイレベルになり、ｎ行目における単位画素１００の選択トランジスタ１０９、１１１をオンさせて、各ソースフォロワアンプの出力が各垂直出力線（列出力線）に接続される。次に、時刻ｔ２にて、制御信号Ｐｃ０ｒ信号をハイレベルにすることにより、読み出し回路３１５の帰還容量３０８ａ、３０８ｂの両端をショートさせる。また、時刻ｔ３にて、制御信号Ｐｃｔｓ、Ｐｃｔｎがともにハイレベルになり、転送トランジスタ３０９ａ、３０９ｂ、３１２ａ、３１２ｂをオンさせる。このようにして、読み出し回路３１５の保持容量３１０ａ、３１０ｂ、３１３ａ、３１３ｂ、帰還容量３０８ａ、３０８ｂ、及び容量３０５ａ、３０５ｂをリセットし、各容量のリセットが完了する。

その後、時刻ｔ４にて、制御信号Ｐｃｔｎ、Ｐｃｔｓがローレベルになり、時刻ｔ５にて、制御信号Ｐｃ０ｒがローレベルになることで、前述した各容量のリセットが解除される。時刻ｔ６〜時刻ｔ７にて、制御信号Ｐｓｅｌ（ｎ）によって選択されたｎ行目の画素におけるＡ信号側、Ｂ信号側のノイズ信号の出力を保持容量３１３ａ、３１３ｂに保持するため、制御信号Ｐｃｔｎをパルス状にハイレベルにする。これにより、ｎ行目の画素におけるＡ信号側のノイズ信号が保持容量３１３ａに保持され、Ｂ信号側のノイズ信号が保持容量３１３ｂに保持される。

次に、時刻ｔ８〜時刻ｔ９にて、フォトダイオード１０１にて発生した電荷（画素信号）をＡ信号側となるＦＤ１０６又はＢ信号側となる１０７に転送するため、制御信号ＰｔｘＡ又はＰｔｘＢをパルス状にハイレベルにする。ここでは、ｎ行目の画素においては制御信号ＰｔｘＡのみが選択されているため、制御信号ＰｔｘＡのみがパルス状にハイレベルとなり、転送トランジスタ１０２より画素信号がＦＤ１０６へ転送される。

次に、時刻ｔ１０にて、画素信号を保持容量３１０ａ、３１０ｂに保持するために制御信号Ｐｃｔｓをハイレベルにする。その後、時刻ｔ１１にて、制御信号Ｐｃｔｓをローレベルにすることで、画素信号が保持容量３１０ａ、３１０ｂに保持される。ここまでの駆動動作により、Ａ信号側の画素信号が保持容量３１０ａに保持され、Ｂ信号側の画素信号が３１０ｂに保持されることになるが、画像撮影モード時には、制御信号ＰｔｘＡ又はＰｔｘＢの一方のみが駆動される。

そのため、制御信号ＰｔｘＡが選択されている場合には、Ａ信号側の保持容量３１０ａに画素信号が保持され、制御信号ＰｔｘＢが選択されている場合には、Ｂ信号側の保持容量３１０ｂに画素信号が保持されることになる。なお、本例ではｎ行目の画素においては制御信号ＰｔｘＡが選択されているため、Ａ信号側からの画素信号が保持容量３１０ａに保持される。その後、時刻ｔ１２にて、制御信号Ｐｓｅｌ（ｎ）をローレベルにし、時刻ｔ１３にて、制御信号ＰｒｅｓＡ、ＰｒｅｓＢをハイレベルにすることで、選択行の画素のＦＤ１０６、１０７を再びリセットする。

そして、水平走査回路３０３ａにより、制御信号Ｐｈａが順次列毎に出力されてＡ信号側からの画素信号及びノイズ信号が差動アンプ３０２に入力される。そして、差分アンプ３０２にて差分処理された出力が、Ａ信号側からの最終出力として順次、撮像素子の外部に出力される。

次に、図５に示すタイミングチャートについて説明する。図５は、（ｎ＋１）行目の画素からの信号読み出しを説明するタイミングチャートである。図４に示したｎ行目においては、制御信号ＰｔｘＡを選択してＡ信号側による画素出力としていたが、図５に示す（ｎ＋１）行目においては、制御信号ＰｔｘＢを選択してＢ信号側からの画素出力を得るものとなる。

図５に示す時刻ｔ１４〜時刻ｔ２７が、（ｎ＋１）行目における信号読み出し動作の駆動タイミングチャートとなる。なお、既にｎ行目における信号読み出しにおいて説明を行っている重複する部分については説明を割愛する。

図５に示す（ｎ＋１）行目における時刻ｔ１４〜時刻ｔ２１における動作は、図４に示したｎ行目における時刻ｔ０〜時刻ｔ７における動作に対応する。ただし、制御信号Ｐｓｅｌによる選択行が、制御信号Ｐｓｅｌ（ｎ）から制御信号Ｐｓｅｌ（ｎ＋１）に変わる。また、（ｎ＋１）行目においては、制御信号ＰｔｘＢによる転送トランジスタ１０３の駆動が選択されているため、制御信号ＰＡ／ＰＢがローレベルとされ、水平走査回路３０３ｂのみ駆動が許可される。

次に、時刻ｔ２２〜時刻ｔ２３にて、（ｎ＋１）行目の画素においては制御信号ＰｔｘＢが選択されているため、制御信号ＰｔｘＢのみがパルス状にハイレベルとなり、転送トランジスタ１０３より画素信号がＦＤ１０７へ転送される。次に、時刻ｔ２４にて、画素信号を保持容量３１０ａ、３１０ｂに保持するために制御信号Ｐｃｔｓをハイレベルにし、その後、時刻ｔ２５にて、制御信号Ｐｃｔｓをローレベルにする。ここでは保持容量３１０ｂに画素信号が保持される。

その後、時刻ｔ２６にて、制御信号Ｐｓｅｌ（ｎ＋１）をローレベルにし、時刻ｔ２７にて、制御信号ＰｒｅｓＡ、ＰｒｅｓＢをハイレベルにすることで、選択行の画素のＦＤ１０６、１０７を再びリセットする。そして、水平走査回路３０３ｂにより、制御信号Ｐｈｂが順次列毎に出力されてＢ信号側からの画素信号及びノイズ信号が差動アンプ３０２に入力される。そして、差分アンプ３０２にて差分処理された出力が、Ｂ信号側からの最終出力として順次、撮像素子の外部に出力される。

以上のようにして、差分処理された出力が（ｎ＋１）行における１行分の出力を終了したら、次の行の読み出しを開始する。同様に、撮像素子に配置された行数分について、制御信号ＰｔｘＡ又はＰｔｘＢの選択データに基づいて制御信号ＰＡ／ＰＢの出力がなされて画素からの信号の読み出しが行われ、撮影画像の出力が終了する。

なお、画像撮影モード時に、垂直走査回路３０１により選択出力される何れか一方の制御信号ＰｔｘＡ、ＰｔｘＢは、メモリ回路４に記憶されている予め決められた行毎の選択データを基に制御信号ＰＡ／ＰＢ及び制御信号ＰＴＯＦが駆動されて選択がなされる。予め決められた行毎の選択データは、例えば工場製造時等においてデータが作成されている。行毎の選択データは、例えば均一輝度面の撮影画像等から、制御信号ＰｔｘＡを駆動して取得された画像及び制御信号ＰｔｘＢ信号を駆動して取得された画像において行毎に出力値の標準偏差及び平均値を求める。そして、行毎に求められた出力値の標準偏差及び平均値を比較した結果を基に、よりバラつきが少ない方となる信号を選択するデータとなっている。

平均値による比較は、前後の行との出力値差を比較するものであり、一行全体において出力値が飽和レベルに達していたり、ゼロとなる出力無しや一律のオフセット値が加わっていたりしたとき等の線キズ状態となる明らかな異常状態を排するためである。標準偏差を用いた比較は、例えば１行中において出力値が異常な画素がある場合、その出力値により１行における出力値のバラツキが広がり標準偏差としての値を押し上げるものとなる。よって、標準偏差の値の小さい方を選択することで、バラツキが少ない方を選択すればよい。

前述した行の選択データにより、単位画素からの画素信号の読み出しにおいて、バラつきの少ない好適な経路を選択することで、回路欠陥等の影響の少ない信号を出力可能になり、容易に画質劣化を抑え、良好な撮影画像の取得が可能となる。以上にように画像撮影モードでの撮影動作において、制御信号ＰｔｘＡ又はＰｔｘＢによる駆動を、行毎における出力値のバラツキが少なくなるよう予め決められた選択データに基づいて行う。これにより、画素からの出力信号を得るための回路として、バラつきの少ない好適な方を選択することになり、画質劣化が抑制された良好な撮影画像を取得することが可能となる。

図６は、本実施形態における固体撮像素子の他の駆動例を示すタイミングチャートであり、ＴＯＦ方式による測距動作を行うＴＯＦ測距モード時における動作タイミングを示している。撮像装置の設定として、操作部７の動作モードスイッチにより、ＴＯＦ方式による測距動作を行うためのＴＯＦ測距モードに設定されているものとする。ＴＯＦ測距モードでの動作中は、制御信号ＰＴＯＦ信号がハイレベルとなり、制御信号ＰＡ／ＰＢに関わらず、各行とも制御信号ＰｔｘＡ、ＰｔｘＢの双方による駆動が行われる。

ＴＯＦ測距モード時においては、撮像装置１２内の投光回路１１により点灯制御される光源を用い、投光された光に対する被写体からの反射光について、フォトダイオード１０２にて発生する電荷を時系列で２つのＦＤ１０６、１０７に転送する。このように別途の出力値とすることで時刻差での出力差を得ることになり、そこから距離情報を得る。ここで示すタイミングは説明を簡略化するため、画素信号の読み出し動作時のタイミングのみを示している。

時刻ｔ１００以前において、制御信号ＰｒｅｓＡ、ＰｒｅｓＢがハイレベルであり、リセットトランジスタ１０４、１０５はオンしている。また、制御信号ＰｔｘＡ、ＰｔｘＢについてもハイレベルであり、フォトダイオード１０１及びＦＤ１０６、１０７が電源電圧ＶＤＤでリセットされている。このようにして、フォトダイオード１０１のリセットを行うことで、駆動以前に蓄積された光学像や暗電流による電荷がリセットされている。

図６に示す時刻ｔ１００〜時刻ｔ１０５における動作は、図４に示した時刻ｔ０〜時刻ｔ５における動作に対応するため、ここでは説明を割愛する。時刻ｔ１０６〜時刻ｔ１０７にて、制御信号Ｐｓｅｌによって選択された行の画素におけるＦＤ１０６、ＦＤ１０７のノイズ信号の出力を保持容量３１３ａ、３１３ｂに保持するため、制御信号Ｐｃｔｎをパルス状にハイレベルにする。これにより、後に読み出すＴＯＦ方式による画素信号に対するノイズ信号が保持容量３１３ａ、３１３ｂに保持される。

次に、時刻ｔ１０８にて、フォトダイオード１０１にて発生した電荷（画素信号）をＦＤ１０６に転送するため、制御信号ＰｔｘＡをローレベルからハイレベルにする。次に、時刻ｔ１０９にて、投光回路１１にて被写体に投光される光源を点灯させるため、制御信号Ｐｌｉｇｈｔがオンされる（ローレベルからハイレベルになる）。

制御信号Ｐｌｉｇｈｔは、時刻ｔ１０９〜時刻ｔ１１１の期間においてオンしており、この期間中は被写体に向けて投光がなされている。また、この間、被写体から反射光がある場合、フォトダイオード１０１は反射光を受光することになり、被写体までの距離Ｌは、光速をＣ、反射光として得られるまで時間をＴｄとすると、Ｌ＝Ｔｄ・Ｃ／２で表すことができる。

時刻ｔ１１０にて、制御信号ＰｔｘＡをハイレベルからローレベルにし、フォトダイオード１０１からＦＤ１０６への電荷（画素信号）の転送を完了させる。ここで、フォトダイオード１０１より読み出された最初の蓄積電荷がＦＤ１０６にて保持されることになる。また、さらに、フォトダイオード１０１にて発生した電荷（画素信号）をＦＤ１０７に転送するため、制御信号ＰｔｘＢをローレベルからハイレベルにする。

次に、時刻ｔ１１１にて、制御信号Ｐｌｉｇｈｔをオフして（ハイレベルからローレベルにして）、投光回路１１にて光源を消灯させる。その後、時刻ｔ１１２にて、制御信号をハイレベルからローレベルにし、フォトダイオード１０１からＦＤ１０７への電荷（画素信号）の転送を完了させる。これにより、フォトダイオード１０１で新たに発生した電荷が他方のＦＤ１０７にて保持されることになる。

次に、時刻ｔ１１３にて、画素信号を保持容量３１０ａ、３１０ｂに保持するために制御信号Ｐｃｔｓをハイレベルにする。その後、時刻ｔ１１４にて、制御信号Ｐｃｔｓをローレベルにすることで、画素信号が保持容量３１０ａ、３１０ｂに保持される。ここで、保持容量３１０ａには、ＦＤ１０６よる最初の蓄積電荷による画素信号が保持され、保持容量３１０ｂには、新たに発生した電荷による画素信号が保持されることになる。

その後、時刻ｔ１１５にて、制御信号Ｐｓｅｌをローレベルにし、時刻ｔ１１６にて、制御信号ＰｒｅｓＡ、ＰｒｅｓＢをハイレベルにすることで、選択行の画素のＦＤ１０６、１０７を再びリセットする。そして、水平走査回路３０３ａ、３０３ｂにより、制御信号Ｐｈａ、Ｐｈｂが交互且つ順次列毎に出力されることで、最初の蓄積電荷及び新たに発生した電荷による画素信号及びノイズ信号が差動アンプ３０２に入力される。そして、差分アンプ３０２にて差分処理された出力が順次、撮像素子外部に出力される。この後、読み出された２つの画素信号の比から投射光に対する反射光の遅延時間を算出することで、前述した距離と遅延時間の関係式から、被写体までの距離情報を得られることができる。

図７は、図６に示したタイミングチャートの一部を示すものであり、ＴＯＦ方式による測距の原理を簡単に説明するための図である。時刻ｔ１０８にて、制御信号ＰｔｘＡをハイレベルにして画素の転送トランジスタ１０２を開け、時刻ｔ１１０にて、制御信号ＰｔｘＡをローレベルにして転送トランジスタ１０２を閉じる。また、時刻ｔ１１０にて、転送トランジスタ１０２を閉じるのと同時に、制御信号ＰｔｘＢをハイレベルにして画素の転送トランジスタ１０３を開け、時刻ｔ１１２にて、制御信号ＰｔｘＢをローレベルにして転送トランジスタ１０３を閉じる。

ここで、制御信号ＰｔｘＡ、ＰｔｘＢがハイレベルである期間と一部重複する時刻ｔ１０９〜時刻ｔ１１１の期間において、制御信号Ｐｌｉｇｈｔに応じて投光回路１１によってパルス光が投射される。被写体までの距離がゼロであるならば、反射光は制御信号Ｐｌｉｇｈｔと同時に受光され、制御信号ＰｔｘＡにより駆動される側と制御信号ＰｔｘＢにより駆動される側は等しい信号を出力する。しかし、被写体までの距離がゼロでない場合、図７に示すように反射光は（ｔ’１０９−ｔ１０９）分の時間だけ遅れて受光される。

その結果、制御信号ＰｔｘＡにより駆動される側では（ｔ１１０−ｔ’１０９）分の信号を受光することになり、制御信号ＰｔｘＢにより駆動される側では（ｔ’１１１−ｔ１１０）分の信号を受光することになり、両者に偏りが生じる。この信号の比から反射光の投射光に対する遅延時間を推定することができ、その遅延時間と光速との積から被写体までの距離を算出することができる。

なお、以上のＴＯＦ測距モード時の動作における欠陥画素の扱いについては、取得されたデータの画素のアドレスが欠陥画素情報として記憶されているアドレスと一致する場合、その画素からのデータは採用しない。そして、例えば、公知の欠陥画素に対する周辺画素を用いた補間処理と同様な欠陥画素の周辺画素の距離情報を用いて補間処理が行われる。このような処理によりＴＯＦ方式による測距動作時においても欠陥画素による距離情報への影響を緩和することができる。

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。

１：固体撮像素子４：メモリ回路５：画像処理回路６：制御回路７：操作部１０：タイミング発生回路１１：投光回路１２：撮像装置１００：単位画素１０１：フォトダイオード１０２、１０３：転送トランジスタ１０４、１０５：リセットトランジスタ１０６、１０７：フローティングディフュージョン１０８、１０９：増幅トランジスタ１０９、１１１：選択トランジスタ３０１：垂直走査回路３０２：差動アンプ３０３：水平走査回路３１５：読み出し回路

Claims

光電変換部、前記光電変換部で発生した電荷を保持する第１の浮遊拡散領域、前記光電変換部で発生した電荷を保持する第２の浮遊拡散領域、前記光電変換部から前記第１の浮遊拡散領域への電荷の転送を制御する第１の転送スイッチ、及び前記光電変換部から前記第２の浮遊拡散領域への電荷の転送を制御する第２の転送スイッチをそれぞれ有する複数の画素が行列状に配された固体撮像素子と、
第１の動作時には、所定の選択データに基づいて、行毎に前記第１の転送スイッチ及び前記第２の転送スイッチの内の一方の転送スイッチを駆動するとともに他方の転送スイッチを駆動せずに前記画素から画素信号が読み出されるように制御し、第２の動作時には、前記第１の転送スイッチ及び前記第２の転送スイッチの双方を交互に駆動して前記画素から画素信号が読み出されるように制御する制御手段とを有することを特徴とする撮像装置。
被写体に向けてパルス光を投射する投光手段を有し、
前記制御手段は、第２の動作時には、前記投光手段により前記被写体に向けてパルス光を投射させるとともに、前記投光手段によりパルス光が投射されている期間において、前記第１の転送スイッチ及び前記第２の転送スイッチを交互に駆動して前記画素から画素信号が読み出されるように制御することを特徴とする請求項１記載の撮像装置。
前記所定の選択データを記憶する記憶手段を有し、
前記制御手段は、第１の動作時には、前記記憶手段に記憶されている前記所定の選択データを基に、駆動する転送スイッチを選択することを特徴とする請求項１又は２記載の撮像装置。
前記所定の選択データは、前記第１の転送スイッチのみを駆動して取得された画素信号と、前記第２の転送スイッチのみを駆動して取得された画素信号とから求められた、行毎における画素信号の標準偏差及び平均値を基に作成されたデータ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２の動作時に前記画素から読み出された画素信号を基に、被写体までの距離情報を取得する処理手段を有す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。
光電変換部、前記光電変換部で発生した電荷を保持する第１の浮遊拡散領域、前記光電変換部で発生した電荷を保持する第２の浮遊拡散領域、前記光電変換部から前記第１の浮遊拡散領域への電荷の転送を制御する第１の転送スイッチ、及び前記光電変換部から前記第２の浮遊拡散領域への電荷の転送を制御する第２の転送スイッチをそれぞれ有する複数の画素が行列状に配された固体撮像素子を有する撮像装置の制御方法であって、
第１の動作時には、所定の選択データに基づいて、行毎に前記第１の転送スイッチ及び前記第２の転送スイッチの内の一方の転送スイッチを駆動するとともに他方の転送スイッチを駆動せずに前記画素から画素信号が読み出されるように制御し、第２の動作時には、前記第１の転送スイッチ及び前記第２の転送スイッチの双方を交互に駆動して前記画素から画素信号が読み出されるように制御することを特徴とする撮像装置の制御方法。