JP6574653B2 - 撮像装置及び撮像システム - Google Patents

Description

本発明は、撮像装置及び撮像システムに関する。

近年、ＣＭＯＳイメージセンサにおいて、グローバル電子シャッタ動作による撮像を行うことが提案されている。特許文献１及び特許文献２には、グローバル電子シャッタを備えた撮像装置が記載されている。グローバル電子シャッタを備えた撮像装置には、動きの速い被写体を撮影する場合でも被写体像がゆがまないという利点がある。

特開２００４−１１１５９０号公報 特開２００６−２４６４５０号公報

グローバル電子シャッタ機能を備えた撮像装置において、多重露光によるダイナミックレンジの拡大や撮像面での焦点検出の高速化などの更なる高機能化が求められている。しかしながら、従来の撮像装置では、このような高機能化に適した撮像装置の構成や駆動方法について検討はなされていなかった。

本発明の目的は、グローバル電子シャッタを用いた撮像において、ダイナミックレンジの拡大や焦点検出の高速化を実現しうる撮像装置を提供することにある。

本発明の一観点によれば、光電変換により電荷を生じる光電変換部と、前記光電変換部から転送される電荷を保持する保持部と、前記保持部から転送される電荷に基づく信号を出力する増幅部とをそれぞれが含む複数の画素を有し、前記複数の画素は、第１の露光期間の間に生じた電荷に基づく第１の信号と、前記第１の露光期間とは長さが異なる第２の露光期間の間に生じた電荷に基づく第２の信号とを出力するように構成されており、前記第１の露光期間において、生じた電荷を前記光電変換部が蓄積するとともに、前記保持部が保持する電荷を前記保持部から前記増幅部に転送し、前記第２の信号として出力し、前記第２の露光期間は、生じた電荷を前記光電変換部のみで蓄積する期間と、生じた電荷を前記光電変換部と前記保持部で保持する期間とを有し、前記第２の露光期間の前記光電変換部のみで蓄積する期間において、前記保持部が保持する電荷を前記保持部から前記増幅部に転送し、前記第１の信号として出力する撮像装置が提供される。

また、本発明の他の観点によれば、光電変換により電荷を生じる光電変換部と、前記光電変換部から転送される電荷を保持する保持部と、前記保持部から転送される電荷に基づく信号を出力する増幅部とをそれぞれが含む複数の画素を有し、前記複数の画素が、第１の露光期間の間に生じた電荷に基づく第１の信号と、前記第１の露光期間とは長さが異なる第２の露光期間の間に生じた電荷に基づく第２の信号とを出力する撮像装置の駆動方法であって、前記第１の露光期間において、生じた電荷を前記光電変換部に蓄積するとともに、前記保持部が保持している電荷を前記増幅部に転送し、前記第２の信号として出力し、前記第２の露光期間において、生じた電荷を前記光電変換部のみで蓄積する期間と、生じた電荷を前記光電変換部と前記保持部で保持する期間とを実施し、前記第２の露光期間の前記光電変換部のみで蓄積する期間において、前記保持部が保持する電荷を前記保持部から前記増幅部に転送し、前記第１の信号として出力する撮像装置の駆動方法が提供される。

本発明によれば、グローバル電子シャッタ機能を備えた撮像装置において、ダイナミックレンジの拡大や焦点検出の高速化を実現することができる。

本発明の第１実施形態による撮像装置の概略構成を示すブロック図である。 本発明の第１実施形態による撮像装置の画素回路の構成例を示す図である。 本発明の第１実施形態による撮像装置の動作を示す模式図である。 本発明の第１実施形態による撮像装置の動作を示すタイミングチャートである。 本発明の第１実施形態による撮像装置の動作を示すタイミングチャートである。 本発明の第２実施形態による撮像装置の画素回路の構成例を示す図である。 本発明の第２実施形態による撮像装置の動作を示す模式図である。 本発明の第２実施形態による撮像装置の動作を示すタイミングチャートである。 本発明の第３実施形態による撮像装置の動作を示す模式図である。 本発明の第３実施形態による撮像装置の動作を示すタイミングチャートである。 本発明の第４実施形態による撮像装置の動作を示す模式図である。 本発明の第４実施形態による撮像装置の動作を示すタイミングチャートである。 本発明の第５実施形態による撮像装置の画素回路の構成例を示す図である。 本発明の第５実施形態による撮像装置の動作を示す模式図である。 本発明の第５実施形態による撮像装置の動作を示すタイミングチャートである。 本発明の第６実施形態による撮像システムの構成を示すブロック図である。

以下、本発明の実施形態について、図面を用いて説明する。もちろん、本発明に係る実施形態は、以下に説明される実施形態のみに限定されるものではない。例えば、以下のいずれかの実施形態の一部の構成を他の実施形態に追加した例や、他の実施形態の一部の構成と置換した例も、本発明の実施形態である。

［第１実施形態］
本発明の第１実施形態による撮像装置について、図１乃至図５を用いて説明する。図１は、本実施形態による撮像装置の概略構成を示すブロック図である。図２は、本実施形態による撮像装置の画素回路の構成例を示す回路図である。図３は、本実施形態による撮像装置の動作を示す模式図である。図４及び図５は、本実施形態による撮像装置の動作を示すタイミングチャートである。

はじめに、本実施形態による撮像装置の構成について、ＣＭＯＳイメージセンサを例に挙げ、図１及び図２を用いて説明する。

本実施形態による撮像装置１００は、図１に示すように、画素アレイ部１０と、垂直走査回路２０と、列増幅回路３０と、水平走査回路４０と、制御回路５０と、出力回路６０とを有している。

画素アレイ部１０には、複数行及び複数列に渡って配された複数の画素１２が設けられている。それぞれの画素１２は、入射光をその光量に応じた電荷に変換する光電変換素子を含む。

垂直走査回路２０は、それぞれの画素１２から信号を読み出す際に画素１２内の読み出し回路を駆動するための制御信号を供給するものである。列増幅回路３０は、画素１２から読み出された信号に対して増幅処理や必要に応じてＡＤ変換処理等の所定の信号処理を実施する回路部である。水平走査回路４０は、列増幅回路３０において処理された信号を列毎に順次、出力回路６０に転送するためのものである。制御回路５０は、垂直走査回路２０、列増幅回路３０及び水平走査回路４０の動作やそのタイミングを制御するためのものである。出力回路６０は、画素１２から読み出した信号を外部に出力するための回路である。

図２は、画素アレイ部１０を構成する画素回路の一例を示す回路図である。図２には、画素アレイ部１０を構成する画素１２として、２行×２列に配列された４個の画素１２を示しているが、実際には更に多くの画素１２を有している。

各画素１２は、光電変換部Ｄ１と、転送トランジスタＭ１と、転送トランジスタＭ２と、リセットトランジスタＭ３と、増幅トランジスタＭ４と、選択トランジスタＭ５とを含む。光電変換部Ｄ１を構成するフォトダイオードのアノードは接地電圧線に接続され、カソードは転送トランジスタＭ１のソースに接続されている。転送トランジスタＭ１のドレインは、転送トランジスタＭ２のソースに接続されている。転送トランジスタＭ１のドレインと転送トランジスタＭ２のソースとの接続ノードは、電荷の保持部Ｃ１を構成する。図には、保持部Ｃ１を容量素子で表している。転送トランジスタＭ２のドレインは、リセットトランジスタＭ３のソース及び増幅トランジスタＭ４のゲートに接続されている。転送トランジスタＭ２のドレイン、リセットトランジスタＭ３のソース及び増幅トランジスタＭ４のゲートの接続ノードは、電荷の保持部Ｃ２を構成する。図には、保持部Ｃ２を容量素子で表している。なお、保持部Ｃ２は、いわゆるフローティングディフュージョン（ＦＤ）である。リセットトランジスタＭ３のドレイン及び増幅トランジスタＭ４のドレインは、電源電圧線（ＶＤＤ）に接続されている。増幅トランジスタＭ４のソースは、選択トランジスタＭ５のドレインに接続されている。

画素アレイ部１０の画素アレイの各行には、行方向（図２において横方向）に延在して、制御線Ｔｘ１、制御線Ｔｘ２、制御線ＲＥＳ、制御線ＳＥＬが、それぞれ配されている。制御線Ｔｘ１は、行方向に並ぶ画素１２の転送トランジスタＭ１のゲートにそれぞれ接続され、これら画素１２に共通の信号線をなしている。制御線Ｔｘ２は、行方向に並ぶ画素１２の転送トランジスタＭ２のゲートにそれぞれ接続され、これら画素１２に共通の信号線をなしている。制御線ＲＥＳは、行方向に並ぶ画素１２のリセットトランジスタＭ３のゲートにそれぞれ接続され、これら画素１２に共通の信号線をなしている。制御線ＳＥＬは、行方向に並ぶ画素１２の選択トランジスタＭ５のゲートにそれぞれ接続され、これら画素１２に共通の信号線をなしている。なお、図２には、各制御線の名称に、対応する行番号をそれぞれ付記している（例えば、Ｔｘ１（ｍ），Ｔｘ１（ｍ＋１））。

制御線Ｔｘ１、制御線Ｔｘ２、制御線ＲＥＳ、制御線ＳＥＬは、垂直走査回路２０に接続されている。制御線Ｔｘ１には、垂直走査回路２０から、転送トランジスタＭ１を制御するための駆動パルスである制御信号ＰＴｘ１が出力される。制御線Ｔｘ２には、垂直走査回路２０から、転送トランジスタＭ２を制御するための駆動パルスである制御信号ＰＴｘ２が出力される。制御線ＲＥＳには、垂直走査回路２０から、リセットトランジスタＭ３を制御するための駆動パルスである制御信号ＰＲＥＳが出力される。制御線ＳＥＬには、垂直走査回路２０から、選択トランジスタＭ５を制御するための駆動パルスである制御信号ＰＳＥＬが出力される。典型例では、垂直走査回路２０からハイレベルの制御信号が出力されると対応するトランジスタがオンとなり、垂直走査回路２０からローレベルの制御信号が出力されると対応するトランジスタがオフとなる。これら制御信号は、制御回路５０からの所定のタイミング信号に応じて、垂直走査回路２０から供給される。垂直走査回路２０には、シフトレジスタやアドレスデコーダなどの論理回路が用いられる。

画素アレイ部１０の画素アレイの各列には、列方向（図２において縦方向）に延在して、出力線１４が配されている。出力線１４は、列方向に並ぶ画素１２の選択トランジスタＭ５のソースにそれぞれ接続され、これら画素１２に共通の信号線をなしている。なお、画素１２の選択トランジスタＭ５は、省略してもよい。この場合、出力線１４は、増幅トランジスタＭ４のソースに接続される。出力線１４には、電流源１６が接続されている。

光電変換部Ｄ１は、入射光をその光量に応じた電荷に変換（光電変換）するとともに、光電変換により生じた電荷を蓄積する。転送トランジスタＭ１は、光電変換部Ｄ１が保持する電荷を保持部Ｃ１に転送する。保持部Ｃ１は、光電変換部Ｄ１で生成された電荷を、光電変換部Ｄ１とは別の場所で保持する。転送トランジスタＭ２は、保持部Ｃ１が保持する電荷を保持部Ｃ２に転送する。保持部Ｃ２は、保持部Ｃ１から転送された電荷を保持するとともに、増幅部の入力ノード（増幅トランジスタＭ４のゲート）の電圧を、その容量と転送された電荷の量とに応じた電圧に設定する。リセットトランジスタＭ３は、保持部Ｃ２の電圧をリセットする。選択トランジスタＭ５は、出力線１４に信号を出力する画素１２を選択する。増幅トランジスタＭ４は、ドレインに電源電圧が供給され、ソースに選択トランジスタＭ５を介して電流源１６からバイアス電流が供給される構成となっており、ゲートを入力ノードとする増幅部（ソースフォロワ回路）を構成する。これにより増幅トランジスタＭ４は、入射光によって生じた電荷に基づく信号Ｖｏｕｔを、出力線１４に出力する。なお、図２には、信号Ｖｏｕｔに、対応する列番号をそれぞれ付記している（Ｖｏｕｔ（ｐ），Ｖｏｕｔ（ｐ＋１））。

このような構成により、保持部Ｃ１が電荷を保持している間に光電変換部Ｄ１で生じた電荷は、光電変換部Ｄ１に蓄積することができる。これにより、複数の画素１２の間で光電変換の期間が一致するような撮像動作、いわゆるグローバル電子シャッタ動作を行うことが可能となる。なお、電子シャッタとは、入射光によって生じた電荷の蓄積を電気的に制御することである。

次に、本実施形態による撮像装置の駆動方法について、図３乃至図５を用いて説明する。ここでは動画を撮影する場合の撮像動作について説明するが、静止画の撮影を行う場合についても同様に行うことができる。

図３は、時間の経過に伴う撮像装置１００の動作状態の遷移を示した模式図であり、図面において左から右に向かう方向が時間軸に対応している。図３には、第ｎフレーム及び第ｎ＋１フレームにおける撮像動作を示している。

ここで、以下の説明の便宜上、１フレーム期間の間に、時間軸方向に沿って順番に、時刻Ｔ１，Ｔ２，Ｔ３，Ｔ４を定義するものとする。時刻Ｔ１はフレームの開始時刻であり、時刻Ｔ４はフレームの終了時刻である。連続する２つのフレームにおいて、前のフレームの時刻Ｔ４と後のフレームの時刻Ｔ１とは一致する。また、時刻Ｔ１と時刻Ｔ２との間の期間を第１の期間、時刻Ｔ２と時刻Ｔ３との間の期間を第２の期間、時刻Ｔ３と時刻Ｔ４との間の期間を第３の期間と定義するものとする。

１フレーム期間の間における撮像動作には、図３に示すように、第１の露光期間と、第２の露光期間とが含まれる。本実施形態において、第１の露光期間は、第１の期間に対応し、相対的に短い露光期間である。また、第２の露光期間は、第２の期間と第３の期間の合計の期間に対応し、第１の露光期間と比較して相対的に長い露光期間である。第２の露光期間は、第１の露光期間の後に開始される。

また、１フレーム期間の間における撮像動作には、蓄積期間ＰＤ（ｎ，１），ＰＤ（ｎ，２）が含まれる。蓄積期間ＰＤ（ｎ，１）は、第１の露光期間において、光電変換部Ｄ１が電荷を生成或いは蓄積している期間である。蓄積期間ＰＤ（ｎ，２）は、第２の露光期間において、光電変換部Ｄ１が電荷を生成或いは蓄積している期間である。

また、１フレーム期間の間における撮像動作には、保持期間ＭＥＭ（ｎ−１，２）の一部、保持期間ＭＥＭ（ｎ，１）及び保持期間ＭＥＭ（ｎ，２）の一部が含まれる。保持期間ＭＥＭ（ｎ−１，２）は、前フレーム（図示しない第ｎ−１フレーム）の第２の露光期間に光電変換部Ｄ１で生成された電荷を保持部Ｃ１が保持している期間である。保持期間ＭＥＭ（ｎ，１）は、第２の期間に対応し、当該フレーム（第ｎフレーム）の第１の露光期間に光電変換部Ｄ１で生成された電荷を保持部Ｃ１が保持している期間である。保持期間ＭＥＭ（ｎ，２）は、当該フレームの第２の露光期間に光電変換部Ｄ１で生成された電荷を保持部Ｃ１が保持している期間である。保持期間ＭＥＭ（ｎ，２）は、当該フレームの第３の期間から次フレーム（第ｎ＋１フレーム）の第１の期間までの期間に対応する。

また、１フレーム期間の間における撮像動作には、第１の読み出し期間と、第２の読み出し期間とが含まれる。第１の露光期間に蓄積された電荷に基づく信号の読み出し動作を実施する期間が第１の読み出し期間であり、第２の露光期間に蓄積された電荷に基づく信号の読み出し動作を実施する期間が第２の読み出し期間である。第１の読み出し期間は当該フレームの第２の期間内に行われ、第２の読み出し期間は次フレームの第１の期間内に行われる。図には、１行の画素１２から一連の読み出し動作を実施する期間を１つの四角印で示している。異なる行の画素１２からの読み出し期間を異なる高さの位置に示すことで、行毎に順次読み出し動作が実施されることを模式的に示している。

なお、図３では、１行目の画素１２から順に読み出し動作を行う例を示している。しかし、読み出し動作を行う順序はこの例に限られない。第１の期間及び第２の期間に、１フレームの画像を構成する画素１２のそれぞれに対して、少なくとも１回ずつ読み出しが行われればよい。

保持期間ＭＥＭ（ｎ，１）に保持部Ｃ１が保持している電荷は、第２の期間内において行順次で保持部Ｃ２へ転送され、読み出し動作が順次実施される（第１の読み出し）。保持期間ＭＥＭ（ｎ，２）に保持部Ｃ１が保持している電荷は、次フレームの第１の期間内において行順次で保持部Ｃ２へ転送され、読み出し動作が順次実施される（第２の読み出し）。なお、第１の読み出し及び第２の読み出しは、必ずしも画素アレイ部１０を構成する総ての画素１２について実施する必要はなく、一部の画素１２についてのみ読み出しを実施してもよい。

このように、１フレーム期間内の撮像動作には、第１の露光期間に対応する相対的に短い蓄積期間と、第２の露光期間に対応する相対的に長い蓄積期間とが含まれる。短い蓄積期間は、第１の期間に相当する。また、長い蓄積期間は、第２の期間と第３の期間との合計の期間に相当する。或いは、第１の期間の信号の読み出しを終えた後、増幅部の入力ノードをリセットする動作を行わないことにより、長い蓄積期間は、第１の期間と第２の期間と第３の期間との合計の期間とすることもできる。すなわち、第１の期間で生じた電荷と、第２の期間及び第３の期間で生じた電荷とを、増幅部の入力ノードの上で加算することになる。長い蓄積期間は、用途や撮影状況に応じて適宜選択することができる。

前フレームの第２の露光期間において蓄積された電荷に基づく信号は、第１の期間に読み出される。そのため、第１の期間が終われば、保持部Ｃ１は新たな電荷を保持することができる。また、第１の露光期間において蓄積された電荷に基づく信号は、第２の期間に読み出される。そのため、第２の期間が終われば、保持部Ｃ１は新たな電荷を保持することができる。したがって、光電変換部Ｄ１は、少なくとも、第１の期間の間に生じる電荷及び第２の期間に生じる電荷のうち多い方の電荷を蓄積できればよい。通常は、第１の期間及び第２の期間に生じる電荷の量は、１フレームの露光期間、すなわち第１の期間と第２の期間と第３の期間との合計の期間に生じる電荷の量より少ないため、光電変換部Ｄ１の飽和電荷量を小さくすることができる。

本実施形態の駆動方法では、保持部Ｃ１が電荷を保持している第３の期間を、第１の期間及び第２の期間よりも長くしている。そのため、光電変換部Ｄ１の飽和電荷量をより小さくすることができる。ただし、第１の期間と第２の期間と第３の期間とは等しくてもよいし、第３の期間よりも第１の期間及び第２の期間が長くてもよい。その他にも任意の蓄積時間の組み合わせをとることができる。

このように、本実施形態による撮像装置１００の駆動方法では、第１の期間及び第２の期間において読み出し動作が行われる。これにより、１フレームの読み出し動作において、１つの画素１２から、短い蓄積期間の間に生じた電荷に基づく信号（短い蓄積期間の信号）の読み出しと、長い蓄積期間の間に生じた電荷に基づく信号（長い蓄積期間の信号）の読み出しとが可能になる。これら蓄積時間の異なる信号は、例えば、長い蓄積時間の信号を高感度信号に、短い蓄積時間の信号を低感度信号に、それぞれ対応させることができる。したがって、これら信号を合成することにより、グローバル電子シャッタを行いながら、ワイドダイナミックレンジ画像を得ることができる。

また、図３の読み出し動作では、１フレームの露光が終了してからすぐに、次のフレームの露光を開始することができる。したがって、情報が欠落する期間をほとんどなくすことができるため、画質を向上することができる。

また、光電変換部Ｄ１が電荷を蓄積している第１の期間及び第２の期間に、複数の画素１２のそれぞれに対して読み出し動作が行われる。このため、光電変換部Ｄ１の飽和電荷量が小さくても、画素１２の飽和電荷量を増加することができる。画素１２の飽和電荷量は、１回の露光で生じる電荷のうち、信号として扱うことができる電荷量の最大値である。なお、光電変換部Ｄ１の飽和電荷量及び保持部Ｃ１の飽和電荷量は、それぞれ、光電変換部Ｄ１が蓄積できる電荷量の最大値及び保持部Ｃ１が保持できる電荷量の最大値である。

第１の期間及び第２の期間のそれぞれに対する第１の期間と第２の期間と第３の期間との合計の期間の比と、光電変換部Ｄ１の飽和電荷量に対する保持部Ｃ１の飽和電荷量の比とは、ほぼ等しいことが好ましい。ここで、第１の期間と第２の期間と第３の期間との合計の期間は、１フレームの露光期間のことである。また、低感度信号に対応する露光期間と高感度信号に対応する露光期間の合計でもある。

本実施形態では、第１の期間に対する１フレームの露光期間の比は４である。また、第１の期間と第２の期間は同じ長さである。つまり、第１の期間は、１フレームの露光期間の１／４である。例えば、毎秒６０フレームの動画を撮影する場合、第１の期間は１／２４０秒である。

そのため、光電変換部Ｄ１の飽和電荷量に対する、保持部Ｃ１の飽和電荷量の比は４に近いことが好ましい。これは、保持部Ｃ１は１回の露光期間で生じた電荷の全部を保持するのに対し、光電変換部Ｄ１はその１／４の量の電荷を保持すればよいからである。このような飽和電荷量の比とすることで、光電変換部Ｄ１と保持部Ｃ１のサイズを最適化することができる。

図４は、本実施形態による撮像装置の駆動に用いられる駆動パルスの一例を模式的に示したものである。図４には、第ｍ行目〜第ｍ＋２行目の画素１２の、転送トランジスタＭ１の制御線Ｔｘ１に供給される制御信号ＰＴｘ１と、転送トランジスタＭ２の制御線Ｔｘ２に供給される制御信号ＰＴｘ２とを示している。制御信号がハイレベルのときに対応するトランジスタがオンになり、制御信号がローレベルのときに対応するトランジスタがオフになる。

時刻Ｔ１までの期間には、前フレームの露光（第２の露光期間）が行われている。露光とは、光電変換によって生じた電荷が信号として蓄積又は保持されることを意味する。時刻Ｔ１より前に生じた前フレームの電荷は、光電変換部Ｄ１及び保持部Ｃ１に保持されている。制御信号ＰＴｘ１をハイレベルとして転送トランジスタＭ１をオンにすることで、前フレームの第２の露光期間に生じた電荷は、総て保持部Ｃ１に転送される。時刻Ｔ１において制御信号ＰＴｘ１をローレベルとして総ての画素１２で同時に転送トランジスタＭ１をオフにすることで、前フレームの第２の露光期間は終了する。

光電変換部Ｄ１に蓄積されていた前フレームの電荷が総て保持部Ｃ１に転送されると、光電変換部Ｄ１は初期状態になる。すなわち、時刻Ｔ１において、総ての行の画素１２（図４では３行の画素１２）の光電変換部Ｄ１が同時に電荷の蓄積を新たに開始する。このように、本実施形態の駆動方法では、転送トランジスタＭ１をオフにすることで、光電変換部Ｄ１による電荷の蓄積が開始される。時刻Ｔ１は、第１の露光期間の開始時刻となる。

時刻Ｔ１までの間に保持部Ｃ１へと転送された電荷に基づく前フレームの信号は、時刻Ｔ１以降、順次読み出される（前フレームの第２の読み出し）。すなわち、制御信号ＰＴｘ２をハイレベルとして転送トランジスタＭ２をオンにすることで、保持部Ｃ１に保持されている電荷を保持部Ｃ２に転送する。これにより、保持部Ｃ２の容量と転送された電荷の量とに応じて増幅部の入力ノード（増幅トランジスタＭ４のゲート）の電圧が変化し、出力線１４には入力ノードの電圧に基づく信号が出力される。

この動作を、読み出し対象の画素１２について、第１行目から最後の行まで行毎に順次、実施する。図４に示す第ｍ行目から第ｍ＋２行目までの動作で説明すると、まず、第ｍ行目の画素１２の転送トランジスタＭ２をオンにすることで、第ｍ行目の画素１２の保持部Ｃ１の電荷を保持部Ｃ２に転送する。これにより、保持部Ｃ２の容量及び転送された電荷の量に応じて入力ノードの電圧が変化し、入力ノードの電圧に基づく信号が増幅トランジスタＭ４によって出力線１４に出力される。次いで、第ｍ＋１行目の画素１２について同様の動作を行い、その後、第ｍ＋２行目の画素１２について同様の動作を行う。読み出し対象の画素１２の読み出しが総て行われた後には、これら画素１２の転送トランジスタＭ１，Ｍ２はオフになっている。

第１の期間に出力する信号の数は、出力する画像のフォーマット等に応じて適宜変更されうる。例えば、動画の撮影であれば、１フレームに用いられる水平ラインに対応する数の行の画素１２から信号が出力されればよい。このような実施形態では、必ずしも撮像装置１００が備える総ての画素１２から信号が出力されなくてもよい。

転送トランジスタＭ１は、時刻Ｔ１から、少なくとも前フレームの第２の読み出しが終了するまで、オフ状態に維持される。本実施形態では、総ての画素１２の転送トランジスタＭ１をオフ状態に維持する例を示すが、少なくとも１つの画素１２の転送トランジスタＭ１をオフ状態に維持すればよい。これにより、転送トランジスタＭ１をオフ状態で維持した画素１２においては、この期間に生じた電荷が光電変換部Ｄ１に蓄積される。この期間に生じた電荷は光電変換部Ｄ１に蓄積されるので、転送トランジスタＭ１がオフ状態の間、保持部Ｃ１は、時刻Ｔ１よりも前に生じた電荷を保持することができる。

次いで、前フレームの第２の読み出しが終了後、制御信号ＰＴｘ１をハイレベルとして転送トランジスタＭ１をオンにすることで、時刻Ｔ１以降に光電変換部Ｄ１で生じた電荷を保持部Ｃ１に転送する。転送トランジスタＭ１をオンにしている間に生じる電荷は、光電変換部Ｄ１から保持部Ｃ１へと即座に転送される。なお、本実施形態では、読み出し対象の総ての画素１２の転送トランジスタＭ１を同時にオフからオンに遷移する例を示している。しかしながら、転送トランジスタＭ１は時刻Ｔ２までにオンになっていればよく、遷移のタイミングは行毎に互いに異なっていてもよい。例えば、前フレームの第２の読み出し動作が終了した行の画素１２から順に、転送トランジスタＭ１をオンにしてもよい。

時刻Ｔ２において、制御信号ＰＴｘ１をローレベルとして転送トランジスタＭ１を同時にオフし、第１の露光期間を終了する。時刻Ｔ２は、第１の露光期間の終了時刻となる。光電変換部Ｄ１に保持されていた電荷が総て保持部Ｃ１に転送されると、光電変換部Ｄ１は初期状態になる。すなわち、時刻Ｔ２において、総ての画素１２の光電変換部Ｄ１が同時に電荷の蓄積を新たに開始する。時刻Ｔ２は、第２の露光期間の開始時刻となる。時刻Ｔ１から時刻Ｔ２までの期間が、第１の期間である。第１の露光期間に生じた電荷は、時刻Ｔ２以降、保持部Ｃ１によって保持される。時刻Ｔ２以降に生じた電荷は光電変換部Ｄ１に蓄積されるので、転送トランジスタＭ１がオフ状態の間、保持部Ｃ１は、第１の露光期間に生じた電荷を保持することができる。

時刻Ｔ２までの間に保持部Ｃ１へと転送された電荷に基づく信号は、時刻Ｔ２以降、順次読み出される（第１の読み出し）。すなわち、前フレームの第２の読み出しと同様に、制御信号ＰＴｘ２をハイレベルとして転送トランジスタＭ２をオンにすることで、保持部Ｃ１に保持されている電荷を保持部Ｃ２に転送する。これにより、保持部Ｃ２の容量と転送された電荷の量に応じて増幅部の入力ノード（増幅トランジスタＭ４のゲート）の電圧が変化し、出力線１４には入力ノードの電圧に基づく信号が出力される。

この動作を、読み出し対象の画素１２について、第１行目から最後の行まで行毎に順次、実行する。図４に示す第ｍ行目から第ｍ＋２行目までの動作で説明すると、まず、第ｍ行目の画素１２の転送トランジスタＭ２をオンにすることで、第ｍ行目の画素１２の保持部Ｃ１の電荷を保持部Ｃ２に転送する。これにより、保持部Ｃ２の容量と転送された電荷の量に応じて増幅部の入力ノード（増幅トランジスタＭ４のゲート）の電圧が変化し、入力ノードの電圧に基づく信号が増幅トランジスタＭ４によって出力線１４に出力される。次いで、第ｍ＋１行目の画素１２について同様の動作を行い、その後、第ｍ＋２行目の画素１２について同様の動作を行う。読み出し対象の画素１２の読み出しが総て行われた後には、これら画素１２の転送トランジスタＭ１，Ｍ２はオフになっている。

このようにすることで、第１の露光期間の間に蓄積された電荷に基づく信号を、短い蓄積期間の信号（低感度信号）として出力することができる。

転送トランジスタＭ１は、時刻Ｔ２から、少なくとも第１の読み出しが終了するまで、オフ状態に維持される。時刻Ｔ２以降、転送トランジスタＭ１が最初にオンになるまでの期間において光電変換部Ｄ１で生じた電荷は、光電変換部Ｄ１に蓄積される。

第１の読み出しが終了した後、制御信号ＰＴｘ１をハイレベルとして転送トランジスタＭ１をオンにすることで、時刻Ｔ２以降に光電変換部Ｄ１で生じた電荷を保持部Ｃ１に転送する。本実施形態の例では、図４に示すように、第１の読み出しの終了後、間欠的に３回、転送トランジスタＭ１をオンにしている。ここで、１回目の間欠駆動における制御信号ＰＴｘ１の立ち下がりのタイミングが時刻Ｔ３であり、３回目の間欠駆動における制御信号ＰＴｘ１の立ち下がりのタイミングが時刻Ｔ４である。また、時刻Ｔ２から時刻Ｔ３までの期間が第２の期間であり、時刻Ｔ３から時刻Ｔ４までの期間が第３の期間である。この場合、１回目の間欠駆動において、第２の期間の間に光電変換部Ｄ１に蓄積された電荷が、保持部Ｃ１に転送される。以後の間欠駆動においても光電変換部Ｄ１から保持部Ｃ１への電荷の転送が同様に行われ、３回目の間欠駆動の後の時刻Ｔ４には、第２の期間及び第３の期間において光電変換部Ｄ１で生じた電荷の総てが保持部Ｃ１へ転送されることになる。

転送トランジスタＭ１を間欠的に駆動しているのは、第２の露光期間の間に生成される電荷が光電変換部Ｄ１の飽和電荷量を超える前に保持部Ｃ１へと転送するためである。間欠動作を行う間隔は、光電変換部Ｄ１の飽和電荷量等に応じて適宜選択することができるが、一実施例では、第１の期間或いは第２の期間と同じ長さに設定することができる。間欠動作を行う間隔は、均等であることが望ましい。

なお、時刻Ｔ２から時刻Ｔ４の間において、光電変換部Ｄ１から保持部Ｃ１に電荷を転送する期間は、第１の読み出しが終了した後であれば、自由に設定することができる。例えば、転送トランジスタＭ１を間欠的にオンする回数は、３回に限定されるものではなく、何度でもよい。また、転送トランジスタＭ１は、第３の期間の間、常にオン状態に維持していてもよい。その場合には、第３の期間に生じた電荷は、光電変換部Ｄ１から即座に保持部Ｃ１に転送される。ただし、ノイズを低減する観点からは、転送トランジスタＭ１をオンにする期間が短い動作、例えば上述の間欠動作が望ましい。

次いで、時刻Ｔ４において、総ての行の制御信号ＰＴｘ１をハイレベルからローレベルへと遷移することにより、総ての行の画素１２の転送トランジスタＭ１を同時にオンからオフに制御する。これにより、１フレームの露光期間が終了する。時刻Ｔ４は、第２の露光期間の終了時刻となる。

次いで、次の第ｎ＋１フレームの第１の期間において、前述した前フレームの第２の読み出しと同様にして、第ｎフレームの第２の露光期間に生じた電荷に基づく信号の読み出しを行う（第２の読み出し）。

このようにすることで、第２の露光期間の間に蓄積された電荷に基づく信号を、長い蓄積期間の信号（高感度信号）として出力することができる。

このように、本実施形態による撮像装置の駆動方法では、総ての画素１２において、露光期間が互いに一致している。つまり、総ての画素１２において、時刻Ｔ１に露光が開始し、時刻Ｔ４に露光が終了する。また、時刻Ｔ４において、次フレームの露光が開始され、以降、時刻Ｔ１から時刻Ｔ４までの動作が繰り返される。

このようにして得られた蓄積期間の異なる低感度信号と高感度信号とを合成することにより、ダイナミックレンジを拡大することができる。これにより、撮影される画像において被写体の黒つぶれや白飛びを回避することが可能となり、高品質な画像を得ることができる。

次に、１つの画素１２からの信号の読み出し動作について、図５を用いて説明する。図５は、本実施形態による撮像装置１００の駆動に用いられる駆動パルスの一例を模式的に示したものである。図５には、選択トランジスタＭ５に供給される制御信号ＰＳＥＬと、リセットトランジスタＭ３に供給される制御信号ＰＲＥＳと、転送トランジスタＭ２に供給される制御信号ＰＴｘ２とを示している。制御信号がハイレベルのときに対応するトランジスタがオンとなり、制御信号がローレベルのときに対応するトランジスタがオフとなる。

図５（ａ）は、第２の読み出しにおいて、第２の露光期間の蓄積電荷に対応する信号を読み出す場合のタイミングチャートである。図５（ｂ）は、第２の読み出しにおいて、第１の露光期間及び第２の露光期間の蓄積電荷に対応する信号を読み出す場合のタイミングチャートである。各図において、破断線よりも左側が第１の読み出しの動作を示し、破断線よりも右側が第２の読み出しの動作を示している。

第１の読み出し動作では、図５（ａ），（ｂ）に示される駆動パルスに従って、画素１２の選択、リセット、ノイズ信号の読み出し（Ｎ読み）、電荷の転送、光信号の読み出し（Ｓ読み）が行われる。

図５（ａ）に示される第２の読み出し動作では、第１の読み出し動作と同様に、画素１２の選択、リセット、ノイズ信号の読み出し（Ｎ読み）、電荷の転送、光信号の読み出し（Ｓ読み）が、順次行われる。図５（ａ）の動作では、電荷の転送（ＰＴｘ２）の前に保持部Ｃ２のリセット（ＰＲＥＳ）を行っているため、保持部Ｃ１からの電荷の転送の後に保持部Ｃ２が保持する電荷は、第２の露光期間において生じた電荷のみとなる。なお、上述した図４の説明は、図５（ａ）の読み出し動作を前提としている。

図５（ｂ）に示される第２の読み出し動作では、画素１２の選択、電荷の転送、光信号の読み出し（Ｓ読み）が、順次行われる。すなわち、第２の読み出しの際には、電荷の転送の前に保持部Ｃ２のリセットは行わない。図５（ｂ）の動作では電荷の転送前にリセットを行わないため、保持部Ｃ１からの電荷の転送前の保持部Ｃ２には、第１の露光期間において生じた電荷が残存している。したがって、この状態で第２の露光期間において生じた電荷を保持部Ｃ１から保持部Ｃ２へ転送すると、保持部Ｃ２には、第１の露光期間において生じた電荷と、第２の露光期間において生じた電荷とが転送されることになる。つまり、図５（ｂ）に示される第２の読み出しは、第１の露光期間及び第２の露光期間の蓄積電荷に対応する信号を読み出すことに相当する。

このようにして画素１２から出力された信号は、撮像装置１００の内部（例えば、ＡＤ変換機能を備えた列増幅回路３０）でＡＤ変換されてもよいし、撮像装置１００の外部（例えば、後述する信号処理部２０８）でＡＤ変換されてもよい。

以上、説明したように、本実施形態による撮像装置の駆動方法を用いることにより、短い蓄積時間の信号と長い蓄積時間の信号とを、同じフレーム期間において取得することができる。したがって、これらの信号から得られる画像を用いることで、ダイナミックレンジを拡大した画像を得ることができる。

また、長い蓄積時間の信号として、第１の露光期間及び第２の露光期間の蓄積電荷に基づく信号を用いることで、短い蓄積時間の信号の露光期間と長い蓄積時間の信号の露光期間とは、どちらも時刻Ｔ１において開始されることになる。また、これら露光期間は、重複する露光期間（第１の期間）を有する。このように露光期間の開始時刻を揃えることにより、短い蓄積時間の信号に基づく画像と長い蓄積時間の信号に基づく画像とを合成する際の被写体の位置ずれを低減することができる。これにより、被写体の位置ずれが小さく、黒つぶれや白飛びのないワイドダイナミックレンジ画像を得ることができる。

画素１２の光電変換部Ｄ１は、少なくとも第１の期間或いは第２の期間に生じる電荷を蓄積できればよいため、光電変換部Ｄ１の飽和電荷量が小さくても、画素１２の飽和電荷量を維持することができる。したがって、このような構成により、画素１２の飽和電荷量を維持しつつ、グローバル電子シャッタを行いながら、ワイドダイナミックレンジ画像を得ることができる。なお、画素１２の保持部Ｃ１が電荷を保持している第３の期間は、第１の期間及び第２の期間よりも長いことが望ましい。このようにすることで、光電変換部Ｄ１の飽和電荷量をより小さくすることができる。

本実施形態では、所定のフレームにおいて、短い蓄積期間の撮像後に、長い蓄積期間の撮像を行う例を説明した。しかし、所定のフレームにおいて、長い蓄積期間の撮像の後に短い蓄積期間の撮像を行ってもよい。

また、本実施形態の撮像装置１００は、ローリングシャッタ動作を行う動作モードを有していてもよい。ローリングシャッタ動作を行う動作モードでは、複数の画素１２の光電変換部Ｄ１による電荷の蓄積を、順次、開始する。その後、複数の画素１２の転送トランジスタＭ１を、順次、オンに制御する。また、本実施形態の撮像装置１００は、別の方式のグローバル電子シャッタを行う動作モードを有していてもよい。別の方式のグローバル電子シャッタとは、光電変換部Ｄ１が電荷を蓄積している期間が露光期間と等しくなるような動作である。

このように、本実施形態によれば、画素の飽和を抑制しつつ、グローバル電子シャッタ動作を行うことができる。また、ダイナミックレンジを拡大した画像を得ることができる。

［第２実施形態］
本発明の第２実施形態による撮像装置について、図６乃至図８を用いて説明する。図１乃至図５に示す第１実施形態による撮像装置と同様の構成要素には同一の符号を付し、説明を省略し或いは簡潔にする。図６は、本実施形態による撮像装置の画素回路の構成例を示す回路図である。図７は、本実施形態による撮像装置の動作を示す模式図である。図８は、本実施形態による撮像装置の動作を示すタイミングチャートである。

はじめに、本実施形態による撮像装置１００の構成について、図６を用いて説明する。

本実施形態による撮像装置１００は、画素１２の回路構成が異なるほかは、第１実施形態による撮像装置１００と同様である。本実施形態による撮像装置１００の画素１２は、図６に示すように、光電変換部Ｄ１、転送トランジスタＭ１，Ｍ２、リセットトランジスタＭ３、増幅トランジスタＭ４、選択トランジスタＭ５に加え、オーバーフロートランジスタＭ６を更に有している。

オーバーフロートランジスタＭ６のソースは、光電変換部Ｄ１を構成するフォトダイオードのカソードと転送トランジスタＭ１のソースとの接続ノードに接続されている。オーバーフロートランジスタＭ６のドレインは、電源電圧線（ＶＤＤ）に接続されている。画素アレイ部１０の画素アレイの各行には、制御線ＯＦＧが更に配されている。制御線ＯＦＧは、行方向に並ぶ画素１２のオーバーフロートランジスタＭ６のゲートにそれぞれ接続され、これら画素１２に共通の信号線をなしている。制御線ＯＦＧは、垂直走査回路２０に接続されている。制御線ＯＦＧには、垂直走査回路２０から、オーバーフロートランジスタＭ６を制御するための制御信号ＰＯＦＧが出力される。典型例では、垂直走査回路２０からハイレベルの制御信号ＰＯＦＧが出力されるとオーバーフロートランジスタＭ６がオンとなり、垂直走査回路２０からローレベルの制御信号が出力されるとオーバーフロートランジスタＭ６がオフとなる。

オーバーフロートランジスタＭ６は、光電変換部Ｄ１の電荷を電源ノードに排出する機能を備える。

第１実施形態では転送トランジスタＭ１を制御することによって光電変換部Ｄ１における電荷の蓄積を開始したが、本実施形態ではオーバーフロートランジスタＭ６を制御することによって光電変換部Ｄ１における電荷の蓄積を開始することも可能である。具体的には、オーバーフロートランジスタＭ６をオンからオフへ制御することで、光電変換部Ｄ１による電荷の蓄積を開始することができる。これにより、露光時間の設定の自由度を向上することができる。

次に、本実施形態による撮像装置の駆動方法について、図７及び図８を用いて説明する。本実施形態による撮像装置の駆動方法は、第１の露光期間の開始時刻をオーバーフロートランジスタＭ６によって制御している点において、第１実施形態による撮像装置の駆動方法とは異なっている。ここでは、第１実施形態の駆動方法と異なる点を中心に説明し、同じ部分については説明を省略し或いは簡潔にする。

図７は、時間の経過に伴う撮像装置１００の動作状態の遷移を示した模式図であり、図面において左から右に向かう方向が時間軸に対応している。図７には、第ｎフレーム及び第ｎ＋１フレームにおける撮像動作を示している。

本実施形態による撮像装置の駆動方法は、図７に示すように、１フレーム期間の間に、第１の露光期間と、第２の露光期間と、蓄積期間ＰＤ（ｎ，１），ＰＤ（ｎ，２）と、排出期間ＯＦＤとを含む。また、１フレーム期間の間に、保持期間ＭＥＭ（ｎ−１，２），ＭＥＭ（ｎ，１），ＭＥＭ（ｎ，２）と、２回の読み出し期間とを含む。

第１の露光期間は、時刻Ｔ１と時刻Ｔ２との間の時刻Ｔ５から時刻Ｔ２までの期間に対応し、相対的に短い露光期間である。第２の露光期間は、第２の期間と第３の期間の合計の期間に対応し、第１の露光期間と比較して相対的に長い露光期間である。第２の露光期間は、第１の露光期間の後に開始される。蓄積期間ＰＤ（ｎ，１）は、第１の露光期間において、光電変換部Ｄ１が電荷を生成或いは蓄積している期間である。保持期間ＭＥＭ（ｎ，１）は、第１の露光期間に光電変換部Ｄ１で生成された電荷を保持部Ｃ１が保持している期間である。蓄積期間ＰＤ（ｎ，２）は、第２の露光期間において、光電変換部Ｄ１が電荷を生成或いは蓄積している期間である。保持期間ＭＥＭ（ｎ，２）は、第２の露光期間に光電変換部Ｄ１で生成された電荷を保持部Ｃ１が保持している期間である。排出期間ＯＦＤは、オーバーフロートランジスタＭ６がオンの期間である。排出期間ＯＦＤ中に光電変換部Ｄ１で生じた電荷或いは光電変換部Ｄ１に保持されている電荷は、オーバーフロートランジスタＭ６を介して排出されるため、光電変換部Ｄ１には蓄積されない。

本実施形態による撮像装置１００の駆動方法では、第１の露光期間が、時刻Ｔ１と時刻Ｔ２との間の時刻Ｔ５から時刻Ｔ２までの期間となるように、その開始時刻と終了時刻とを規定している。このような場合、第１の露光期間の開始時刻は、制御信号ＰＯＦＧのタイミングにより制御することができる。また、第１の露光期間の終了時刻は、第１実施形態の場合と同様、制御信号ＰＴｘ１のタイミングにより制御することができる。

より具体的には、第１の露光期間の開始時刻は、フレーム期間の開始後、最初に制御信号ＰＯＦＧがハイレベルからローレベルへと遷移するタイミングによって規定することができる。制御信号ＰＯＦＧをローレベルとしてオーバーフロートランジスタＭ６をオフにすることで、光電変換部Ｄ１で生じた電荷は、オーバーフロートランジスタＭ６を介して排出されなくなり、光電変換部Ｄ１に蓄積されるようになる。

また、第１の露光期間の終了時刻は、制御信号ＰＯＦＧがローレベルであって、且つ、制御信号ＰＴｘ１がハイレベルからローレベルへと遷移するタイミングによって規定することができる。第１の露光期間は、光電変換部Ｄ１で生じた電荷を保持部Ｃ１に転送することによって終了する。オーバーフロートランジスタＭ６がオンになると光電変換部Ｄ１がリセットされるため、露光期間の終了時刻は、オーバーフロートランジスタＭ６がオンになるタイミングよりも前に、転送トランジスタＭ１がオフになるタイミングとなる。露光期間の開始時刻から終了時刻までの間、オーバーフロートランジスタＭ６はオフ状態のまま維持する。

第２の露光期間における撮像動作は、この期間の間、制御信号ＰＯＦＧをローレベルとしてオーバーフロートランジスタＭ６をオフ状態に維持しているほかは、第１実施形態の場合と同様である。

図８は、本実施形態による撮像装置１００の駆動方法に用いられる駆動パルスの一例を模式的に示したものである。図８には、第ｍ行目〜第ｍ＋２行目の画素１２の、制御線Ｔｘ１に供給される制御信号ＰＴｘ１と、制御線Ｔｘ２に供給される制御信号ＰＴｘ２と、制御線ＯＦＧに供給される制御信号ＰＯＦＧとを示している。制御信号がハイレベルのときに対応するトランジスタがオンになり、制御信号がローレベルのときに対応するトランジスタがオフになる。なお、制御信号ＰＴｘ１，ＰＴｘ２の駆動タイミングは、第１実施形態による撮像装置１００の駆動方法の場合と同じである。

時刻Ｔ１において、フレーム期間は開始されるが、制御信号ＰＯＦＧはハイレベルでありオーバーフロートランジスタＭ６がオンになっているため、光電変換部Ｄ１で生じた電荷は蓄積されない。第１の露光期間は、制御信号ＰＯＦＧがハイレベルからローレベルへと遷移するタイミング、すなわちオーバーフロートランジスタＭ６がオフになる時刻Ｔ５から開始される。オーバーフロートランジスタＭ６がオフの間、光電変換部Ｄ１で生じた電荷は光電変換部Ｄ１に蓄積される。読み出し対象の画素１２について同時にオーバーフロートランジスタＭ６をオフにすることで、グローバル電子シャッタ動作が可能となる。

オーバーフロートランジスタＭ６がオンからオフに制御される時刻Ｔ５は、図７に示すように、前フレームの信号読み出しを行っている期間にある。すなわち、第１の露光期間は、前フレームの信号読み出しを行っている期間中に開始している。このようにすることで、情報が欠落する期間を短くすることができ、画質を向上することができる。

オーバーフロートランジスタＭ６がオフの期間中に、制御信号ＰＴｘ１をハイレベルとして転送トランジスタＭ１をオンにすることで、光電変換部Ｄ１で生じた電荷を保持部Ｃ１に転送する。本実施形態の例では、図８に示すように、オーバーフロートランジスタＭ６がオフの間、間欠的に４回、転送トランジスタＭ１をオンにしている。転送トランジスタＭ１を間欠的に駆動している理由は、第１実施形態の場合と同様である。

第１の露光期間の終了時刻は、オーバーフロートランジスタＭ６がオフの状態において、転送トランジスタＭ１がオフになるタイミングによって規定することができる。図８の例では、転送トランジスタＭ１の１回目の間欠駆動における制御信号ＰＴｘ１の立ち下がりのタイミング、すなわち時刻Ｔ２を、第１の露光期間の終了時刻としている。このとき、読み出し対象の画素１２について同時に転送トランジスタＭ１をオフにすることで、グローバル電子シャッタ動作が可能となる。つまり、図８の駆動によれば、短い蓄積期間に対応する第１の露光期間は、時刻Ｔ５から時刻Ｔ２の期間である。

時刻Ｔ２までの間に保持部Ｃ１へと転送された電荷に基づく信号は、時刻Ｔ２以降、転送トランジスタＭ１の２回目の間欠駆動よりも前の期間（第２の期間）に、順次読み出される（第１の読み出し）。

第１の露光期間の終了時刻である時刻Ｔ２は、第２の露光期間の開始時刻でもある。第２の露光期間の終了時刻は、図８の例では、転送トランジスタＭ１の４回目の間欠駆動における制御信号ＰＴｘ１の立ち下がりのタイミング、すなわち時刻Ｔ４となる。第２の露光期間における電荷の蓄積並びに第２の露光期間において生じた電荷に基づく信号の読み出し（第２の読み出し）の動作は、第１実施形態の場合と同様である。オーバーフロートランジスタＭ６は、第２の露光期間の終了時刻である時刻Ｔ４以降にオフからオンへと制御する。

なお、上述の例では、前フレームの第２の読み出し期間の間にオーバーフロートランジスタＭ６をオンからオフに制御する例を示したが、オーバーフロートランジスタＭ６をオンからオフに制御するタイミングは、これに限定されるものではない。すなわち、オーバーフロートランジスタＭ６は、前フレームの第２の読み出し動作の完了と同時にオンからオフに制御してもよいし、前フレームの第２の読み出し動作が完了した後にオフに制御してもよい。これらの場合、オーバーフロートランジスタＭ６をオフにした時点で保持部Ｃ１には前フレームの電荷がないため、転送トランジスタＭ１をオフからオンに制御することができる。したがって、光電変換部Ｄ１に瞬間的に強い光が入射し、光電変換部Ｄ１の飽和電荷量を超える電荷が生じた場合でも、光電変換部Ｄ１の飽和電荷量と保持部Ｃ１の飽和電荷量の合計の飽和電荷量まで、画素１２を飽和させずに用いることができる。すなわち、本実施形態によれば、被写体の明るさに応じて、駆動方法を変えることができる。

また、低感度信号に対応する第１の露光期間の長さを図８のように短くした場合、高感度信号に対応する第２の露光期間の長さを短くすることができる。これにより、被写体が高速で動く場合などの被写体ブレを小さくすることができる。

このように、本実施形態によれば、画素の飽和を抑制しつつ、グローバル電子シャッタ動作を行うことができる。また、ダイナミックレンジを拡大した画像を得ることができる。また、オーバーフロートランジスタを用いることで、露光期間の設定の自由度を向上することができる。これにより、高輝度の被写体に対して、低感度信号に対応する第１の露光期間をごく短く設定することができる。これにより、画素が飽和することなく信号を扱うことが可能となるため、より白トビの少ない高品位な画像を得ることができる。

［第３実施形態］
本発明の第３実施形態による撮像装置について、図９及び図１０を用いて説明する。図１乃至図８に示す第１及び第２実施形態による撮像装置と同様の構成要素には同一の符号を付し、説明を省略し或いは簡潔にする。図９は、本実施形態による撮像装置の動作を示す模式図である。図１０は、本実施形態による撮像装置の動作を示すタイミングチャートである。

本実施形態では、図６に示す回路構成の画素１２を有する第２実施形態による撮像装置１００の他の駆動方法を説明する。本実施形態による撮像装置１００の駆動方法は、第１の露光期間の間に生じた電荷を保持する期間として、光電変換部Ｄ１で保持する期間と保持部Ｃ１で保持する期間とを有する点で、第２実施形態による撮像装置１００の駆動方法とは異なっている。ここでは、第１及び第２実施形態の駆動方法と異なる点を中心に説明し、同様の部分については説明を省略し或いは簡潔にする。

図９は、時間の経過に伴う撮像装置１００の動作状態の遷移を示した模式図であり、図面において左から右に向かう方向が時間軸に対応している。図９には、第ｎフレーム及び第ｎ＋１フレームにおける撮像動作を示している。

本実施形態による駆動方法は、第１の露光期間を含む第１の期間において前フレームの信号の読み出しを実施する点は、第１及び第２実施形態の場合と同じである。本実施形態による駆動方法が第１及び第２実施形態と異なる点は、第１の露光期間の途中で光電変換部Ｄ１から保持部Ｃ１へと電荷を転送している点である。すなわち、本実施形態による駆動方法では、第１の期間中に、転送トランジスタＭ１をオフからオンへと制御している。図９の模式図で説明すると、第１の露光期間の間に、蓄積期間ＰＤ（ｎ，１）と保持期間ＭＥＭ（ｎ，１）とが重複する期間を有している。

図１０は、本実施形態による撮像装置１００の駆動方法に用いられる駆動パルスの一例を模式的に示したものである。図１０には、第ｍ行目〜第ｍ＋２行目の画素１２の、制御線Ｔｘ１に供給される制御信号ＰＴｘ１と、制御線Ｔｘ２に供給される制御信号ＰＴｘ２と、制御線ＯＦＧに供給される制御信号ＰＯＦＧとを示している。制御信号がハイレベルのときに対応するトランジスタがオンになり、制御信号がローレベルのときに対応するトランジスタがオフになる。なお、制御信号ＰＯＦＧの駆動タイミングは、第２実施形態による撮像装置１００の駆動方法の場合と同じである。

時刻Ｔ１において、フレーム期間は開始されるが、制御信号ＰＯＦＧはハイレベルでありオーバーフロートランジスタＭ６がオンになっているため、光電変換部Ｄ１で生じた電荷は蓄積されない。第１の露光期間は、制御信号ＰＯＦＧがハイレベルからローレベルへと遷移するタイミング、すなわちオーバーフロートランジスタＭ６がオフになる時刻Ｔ５から開始される。

オーバーフロートランジスタＭ６がオフの期間中に、制御信号ＰＴｘ１をハイレベルとして転送トランジスタＭ１をオンにすることで、光電変換部Ｄ１で生じた電荷を保持部Ｃ１に転送する。本実施形態の例では、図１０に示すように、前フレームの第２の読み出し動作が完了した後、第１の露光期間の終了時刻である時刻Ｔ２までの間に、間欠的に２回、転送トランジスタＭ１をオンにしている。転送トランジスタＭ１を間欠的に駆動している理由は、第１実施形態の場合と同様である。

１回目の間欠駆動において転送トランジスタＭ１をオンからオフに制御するタイミングを時刻Ｔ６とすると、時刻Ｔ５から時刻Ｔ６までの間に光電変換部Ｄ１で生じた電荷は、当該１回目の間欠駆動によって、保持部Ｃ１へと転送される。また、時刻Ｔ６から時刻Ｔ２までの間に光電変換部Ｄ１で生じた電荷は、２回目の間欠駆動によって、保持部Ｃ１へと転送される。

このようにすることで、時刻Ｔ５から時刻Ｔ２の間に光電変換部Ｄ１に瞬間的に強い光が入射し、光電変換部Ｄ１の飽和電荷量を超える電荷が生じた場合でも、光電変換部Ｄ１及び保持部Ｃ１の合計の飽和電荷量まで画素１２を飽和させずに用いることができる。

第１の露光期間の間において、転送トランジスタＭ１は、必ずしも間欠的に駆動する必要はない。前フレームの第２の読み出しが完了した後であれば、時刻Ｔ２までの期間の間、転送トランジスタＭ１はオン状態のまま維持するようにしてもよい。

第１の露光期間、すなわち時刻Ｔ５から時刻Ｔ２までの間に保持部Ｃ１へと転送された電荷に基づく信号は、続く第２の期間の間に順次、読み出される（第１の読み出し）。このようにして、短秒蓄積信号の読み出しが完了する。

第１の露光期間の終了時刻である時刻Ｔ２は、第２の露光期間の開始時刻でもある。第２の露光期間の間に、制御信号ＰＴｘ１をハイレベルとして転送トランジスタＭ１をオンにすることで、光電変換部Ｄ１で生じた電荷を保持部Ｃ１に転送する。本実施形態の例では、図１０に示すように、当該フレームの第１の読み出し動作が完了した後から時刻Ｔ４までの間に間欠的に３回、転送トランジスタＭ１をオンにしている。転送トランジスタＭ１の３回目の間欠駆動における制御信号ＰＴｘ１の立ち下がりのタイミングが、第２の露光期間の終了時刻である時刻Ｔ４である。転送トランジスタＭ１を間欠的に駆動している理由は、第１実施形態の場合と同様である。

第２の露光期間の間において、転送トランジスタＭ１は、必ずしも間欠的に駆動する必要はない。当該フレームの第１の読み出しが完了した後であれば、時刻Ｔ４までの期間の間、転送トランジスタＭ１はオン状態で維持するようにしてもよい。

第２の露光期間における電荷の蓄積並びに第２の露光期間において生じた電荷に基づく信号の読み出し（第２の読み出し）の動作は、第１実施形態の場合と同様である。オーバーフロートランジスタＭ６は、第２の露光期間の終了時刻である時刻Ｔ４以降にオフからオンへと制御する。

このように、本実施形態によれば、画素の飽和を抑制しつつ、グローバル電子シャッタ動作を行うことができる。また、ダイナミックレンジを拡大した画像を得ることができる。また、オーバーフロートランジスタを用いることで、露光期間の設定の自由度を向上することができる。また、第１の露光期間における蓄積電荷量を増加することができる。これにより、高輝度の被写体に対しても、画素が飽和することなく信号を扱うことが可能となり、より白トビの少ない高品位な画像を得ることができる。

［第４実施形態］
本発明の第４実施形態による撮像装置について、図１１及び図１２を用いて説明する。図１乃至図１０に示す第１乃至第３実施形態による撮像装置と同様の構成要素には同一の符号を付し、説明を省略し或いは簡潔にする。図１１は、本実施形態による撮像装置の動作を示す模式図である。図１２は、本実施形態による撮像装置の動作を示すタイミングチャートである。

本実施形態では、図６に示す回路構成の画素１２を有する第２実施形態による撮像装置１００の他の駆動方法を説明する。本実施による撮像装置１００の駆動方法は、長い蓄積期間に対応する第２の露光期間において符号化露光を行う点で、第１乃至第３実施形態とは異なっている。ここでは、第１乃至第３実施形態の駆動方法と異なる点を中心に説明し、同様の部分については説明を省略し或いは簡潔にする。

画像の黒つぶれを改善するために、高感度信号に対応する第２の露光期間を長く設定する場合、高速に動く被写体に対して動きブレが生じてしまう。これを解決するために、後段の画像処理系においてブレ復元処理を施すことが考えられる。しかし、露光期間中に被写体が移動する距離に対して、ちょうど整数倍含まれる空間周波数に対応する信号は、情報が欠落してしまう。このような画像を用いてブレ復元処理を行うと、画像に含まれるノイズ成分が増幅され、画像にアーティファクト（偽信号）が生じてしまい、画質が著しく悪化してしまう。

本実施形態では、長い露光時間の高感度信号に対応する第２の露光期間における露光を符号化露光とする。それにより、通常の露光によって生じるような、特定の空間周波数成分の信号が欠落してしまうのを回避する。このようにして得られた高感度信号を含むブレ画像に対して、別途推定をおこなったＰＳＦ（点像分布関数）を用いてブレ復元処理を施す。このようにすることで、ノイズを増幅することなくブレ除去された高感度信号の画像を得ることができる。その後、同一のフレームで得られた短い露光時間の低感度信号の画像と合成処理することにより、低ノイズ且つブレが除去されたワイドダイナミックレンジ画像を得ることができる。

図１１は、時間の経過に伴う撮像装置１００の動作状態の遷移を示した模式図であり、図面において左から右に向かう方向が時間軸に対応している。図１１には、第ｎフレーム及び第ｎ＋１フレームにおける撮像動作を示している。短秒蓄積信号の露光期間が含まれる第１の期間において前フレームの信号を読み出す点は、第１乃至第３実施形態の場合と同じである。本実施形態では、長秒蓄積信号の露光期間である第３の期間において、転送トランジスタＭ１及びオーバーフロートランジスタＭ６を間欠的に動作することによって、蓄積期間ＰＤ（ｎ，２）を複数の期間に分割している。すなわち、露光期間を時間軸方向に沿って符号化している。分割された複数の蓄積期間ＰＤ（ｎ，２）の間は、排出期間ＯＦＤとなる。

図１２は、本実施形態による撮像装置１００の駆動方法に用いられる駆動パルスの一例を模式的に示したものである。図１２には、第ｍ行目〜第ｍ＋２行目の画素１２の、制御線Ｔｘ１に供給される制御信号ＰＴｘ１と、制御線Ｔｘ２に供給される制御信号ＰＴｘ２と、制御線ＯＦＧに供給される制御信号ＰＯＦＧとを示している。制御信号がハイレベルのときに対応するトランジスタがオンになり、制御信号がローレベルのときに対応するトランジスタがオフになる。

第２実施形態において説明したように、オーバーフロートランジスタＭ６を含む画素１２の場合、蓄積期間の開始時刻は、オーバーフロートランジスタＭ６をオンからオフに切り替えるタイミングによって規定することができる。また、蓄積期間の終了時刻は、転送トランジスタＭ１をオンからオフに切り替えるタイミングによって規定することができる。そこで、本実施形態の駆動方法では、蓄積期間ＰＤ（ｎ，１），ＰＤ（ｎ，２）の開始時刻を、オーバーフロートランジスタＭ６をオンからオフに切り替えるタイミングによって規定する。また、蓄積期間ＰＤ（ｎ，１），ＰＤ（ｎ，２）の終了時刻を、転送トランジスタＭ１をオンからオフに切り替えるタイミングによって規定する。

１つの蓄積期間に着目すると、転送トランジスタＭ１がオフでありオーバーフロートランジスタＭ６がオンである排出状態から、オーバーフロートランジスタＭ６をオフに切り替えることで、蓄積期間を開始する。蓄積期間の間の任意のタイミングで転送トランジスタＭ１をオンにして電荷の転送を行い、その後、転送トランジスタＭ１をオフに切り替えることで、蓄積期間が終了する。蓄積期間の終了後、オーバーフロートランジスタＭ６をオフからオンに切り替えることで、転送トランジスタＭ１がオフでありオーバーフロートランジスタＭ６がオンである排出状態に戻り、一連の動作が終了する。この一連の動作を、蓄積期間ＰＤ（ｎ，１）及び分割された複数の蓄積期間ＰＤ（ｎ，２）のそれぞれにおいて行う。

時刻Ｔ１から時刻Ｔ２までの第１の期間は、第１の露光期間と、前フレームの高感度信号の読み出し期間とを含む。前フレームの高感度信号の読み出し動作は、時刻Ｔ１から時刻Ｔ２の間に行われる。第１の露光期間は、時刻Ｔ５から時刻Ｔ２の間に行われる。

時刻Ｔ５から時刻Ｔ２の間に上述の蓄積期間における一連の動作を行うことで、蓄積期間ＰＤ（ｎ，１）を実施する。時刻Ｔ５においてオーバーフロートランジスタＭ６をオンからオフに切り替えることで、蓄積期間ＰＤ（ｎ，１）が開始する。つまり、低感度信号の露光期間（第１の露光期間）は、時刻Ｔ５より開始される。

時刻Ｔ２までの任意のタイミングで転送トランジスタＭ１をオフからオンに切り替えた後、時刻Ｔ２において転送トランジスタＭ１をオンからオフに切り替えることで、蓄積期間ＰＤ（ｎ，１）を終了する。つまり、低感度信号の露光期間は、時刻Ｔ５から時刻Ｔ２までの期間である。

時刻Ｔ２から時刻Ｔ４までの第２及び第３の期間は、第２の露光期間と、当該フレームの短秒蓄積信号の読み出し期間（第１の読み出し）とを含む。当該フレームの低感度信号の読み出し動作は、時刻Ｔ２から時刻Ｔ３の間に行われる。第２の露光期間は、時刻Ｔ２から時刻Ｔ４の間に行われる。

時刻Ｔ２から時刻Ｔ４の間に上述の蓄積期間における一連の動作を複数回行うことで、分割された複数の蓄積期間ＰＤ（ｎ，２）、すなわち符号化露光を実施する。時刻Ｔ７においてオーバーフロートランジスタＭ６をオンからオフに切り替えることで、最初の蓄積期間ＰＤ（ｎ，２）が開始する。つまり、高感度信号の露光期間（第２の露光期間）は、時刻Ｔ７より開始される。時刻Ｔ４において転送トランジスタＭ１をオンからオフに切り替えることで、最後の蓄積期間ＰＤ（ｎ，２）が終了する。つまり、高感度信号の露光期間は、時刻Ｔ７から時刻Ｔ４までの期間である。

上記一連の動作は、第ｍ行から第ｍ＋２行の３行について一括に行われる。しかし、この動作は３行に限られるものではなく、その他の複数の画素１２においても一括に行われてもよい。この第３の期間、複数の画素１２の保持部Ｃ１には、間欠的に露光された電荷が蓄積される。

その後、時刻Ｔ４において、複数の画素１２の転送トランジスタＭ１が一括でオンからオフに制御され、長秒蓄積信号の露光が完了する。当該フレームの長秒蓄積信号の読み出し（第２の読み出し）は、次フレームの第１の期間の間に行われる。

このように、本実施形態によれば、画素の飽和を抑制しつつ、グローバル電子シャッタ動作を行うことができる。また、ダイナミックレンジを拡大した画像を得ることができる。また、長い露光時間を有する高感度信号に対して、低ノイズのブレ復元処理を施すことが可能となる。これにより、被写体ブレのない高品位なワイドダイナミックレンジ画像を得ることができる。

［第５実施形態］
本発明の第５実施形態による撮像装置について、図１３乃至図１５を用いて説明する。図１乃至図１２に示す第１乃至第４実施形態による撮像装置と同様の構成要素には同一の符号を付し、説明を省略し或いは簡潔にする。図１３は、本実施形態による撮像装置の画素回路の構成例を示す回路図である。図１４は、本実施形態による撮像装置の動作を示す模式図である。図１５は、本実施形態による撮像装置の動作を示すタイミングチャートである。

はじめに、本実施形態による撮像装置１００の構成について、図１３を用いて説明する。

本実施形態による撮像装置１００は、画素１２の回路構成が異なるほかは、第１実施形態による撮像装置１００と同様である。本実施形態による撮像装置１００の画素１２は、図１３に示すように、２つの光電変換部Ｄ１Ａ，Ｄ１Ｂを有している。また、光電変換部Ｄ１Ａから保持部Ｃ１に電荷を転送するための転送トランジスタＭ１Ａと、光電変換部Ｄ１Ｂから保持部Ｃ１に電荷を転送するための転送トランジスタＭ１Ｂとを有している。

光電変換部Ｄ１Ａを構成するフォトダイオードのアノードは接地電圧線に接続され、カソードは転送トランジスタＭ１Ａのソースに接続されている。光電変換部Ｄ１Ｂを構成するフォトダイオードのアノードは接地電圧線に接続され、カソードは転送トランジスタＭ１Ｂのソースに接続されている。転送トランジスタＭ１Ａのドレイン及び転送トランジスタＭ１Ｂのドレインは、転送トランジスタＭ２のソースに接続されている。画素１２のその他の構成は、第１実施形態による撮像装置１００の画素１２と同様である。

画素アレイ部１０の画素アレイの各行には、行方向に延在して、制御線Ｔｘ１＿Ａ、制御線Ｔｘ１＿Ｂが、それぞれ配されている。制御線Ｔｘ１＿Ａは、行方向に並ぶ画素１２の転送トランジスタＭ１Ａのゲートにそれぞれ接続され、これら画素１２に共通の信号線をなしている。制御線Ｔｘ１＿Ｂは、行方向に並ぶ画素１２の転送トランジスタＭ１Ｂのゲートにそれぞれ接続され、これら画素１２に共通の信号線をなしている。

制御線Ｔｘ１＿Ａ、制御線Ｔｘ１＿Ｂは、垂直走査回路２０に接続されている。制御線Ｔｘ１＿Ａには、垂直走査回路２０から、転送トランジスタＭ１Ａを制御するための駆動パルスである制御信号ＰＴｘ１＿Ａが出力される。制御線Ｔｘ１＿Ｂには、垂直走査回路２０から、転送トランジスタＭ１Ｂを制御するための駆動パルスである制御信号ＰＴｘ１＿Ｂが出力される。典型例では、垂直走査回路２０からハイレベルの制御信号が出力されると対応するトランジスタがオンとなり、垂直走査回路２０からローレベルの制御信号が出力されると対応するトランジスタがオフとなる。

光電変換部Ｄ１Ａ及び光電変換部Ｄ１Ｂは、レンズの瞳とほぼ共役となるように配置されている。そして、光電変換部Ｄ１Ａ及び光電変換部Ｄ１Ｂは、レンズの瞳の互いに異なる位置を透過した光束を受光する。これにより、光電変換部Ｄ１Ａから出力される信号と光電変換部Ｄ１Ｂから出力される信号とに基づいて焦点検出が可能となる。また、光電変換部Ｄ１Ａから出力される信号と光電変換部Ｄ１Ｂから出力される信号とを加算することにより、画像用信号を取得することも可能である。すなわち、図１３に示した画素構成によれば、焦点検出用の画素として用いることも、撮像用の画素として用いることも可能である。

次に、本実施形態による撮像装置１００の駆動方法について、図１４及び図１５を用いて説明する。

本実施形態による駆動方法は、第１実施形態において光電変換部Ｄ１に対して行った動作と同じ動作を、光電変換部Ｄ１Ａ及び光電変換部Ｄ１Ｂのうちの一方に対して行う場合を含む。また、光電変換部Ｄ１Ａ及び光電変換部Ｄ１Ｂのうちの他方に対しては、各フレームの総ての期間について露光を行う場合を含む。つまり、光電変換部Ｄ１Ａ，Ｄ１Ｂのうちの一方の動作は、各フレームの露光期間の中に、短い露光期間と、長い露光期間の２種類の期間を含み、それぞれによって生じた信号を異なるタイミングで出力する。焦点検出を行わない場合には、光電変換部Ｄ１Ａと光電変換部Ｄ１Ｂとが同じ回路の動作によって駆動されてもよい。

図１４は、時間の経過に伴う撮像装置の動作状態の遷移を示した模式図であり、図面において左から右へ向かう方向が時間軸に対応している。図１４には、第ｎフレーム及び第ｎ＋１フレームにおける撮像動作を示している。

１フレーム期間の間における撮像動作には、図１４に示すように、第１の露光期間と、第２の露光期間と、第３の露光期間とが含まれる。第１の露光期間は、第１の期間に対応する。第２の露光期間は、第２の期間と第３の期間との合計の期間に対応する。第３の露光期間は、第１の期間と第２の期間と第３の期間との合計の期間に対応する。第１の露光期間及び第２の露光期間は光電変換部Ｄ１Ａ及び光電変換部Ｄ１Ｂのうちの一方に対して実施され、第３の露光期間は光電変換部Ｄ１Ａ及び光電変換部Ｄ１Ｂのうちの他方に対して実施される。

また、１フレーム期間の間における撮像動作には、蓄積期間ＰＤ１（ｎ，１），ＰＤ１（ｎ，２），ＰＤ２（ｎ，１）が含まれる。蓄積期間ＰＤ１（ｎ，１）は、第１の露光期間において、光電変換部Ｄ１が電荷を生成或いは蓄積している期間である。蓄積期間ＰＤ１（ｎ，２）は、第２の露光期間において、光電変換部Ｄ１が電荷を生成或いは蓄積している期間である。蓄積期間ＰＤ２（ｎ，１）は、第３の露光期間において、光電変換部Ｄ１が電荷を生成或いは蓄積している期間である。光電変換部Ｄ１Ａに対して蓄積期間ＰＤ１（ｎ，１），ＰＤ１（ｎ，２）が実施される場合、光電変換部Ｄ１Ｂに対しては蓄積期間ＰＤ２（ｎ，１）が実施される。また、光電変換部Ｄ１Ａに対して蓄積期間ＰＤ２（ｎ，１）が実施される場合、光電変換部Ｄ１Ｂに対しては蓄積期間ＰＤ１（ｎ，１），ＰＤ１（ｎ，２）が実施される。

また、１フレーム期間の間における撮像動作には、保持期間ＭＥＭ（ｎ−１，２）の一部、保持期間ＭＥＭ（ｎ，１）及び保持期間ＭＥＭ（ｎ，２）の一部が含まれる。保持期間ＭＥＭ（ｎ−１，２）は、前フレーム（図示しない第ｎ−１フレーム）の第２の露光期間又は第３の露光期間に光電変換部Ｄ１で生成された電荷を保持部Ｃ１が保持している期間である。保持期間ＭＥＭ（ｎ，１）は、第２の期間に対応し、当該フレーム（第ｎフレーム）の第１の露光期間に光電変換部Ｄ１で生成された電荷を保持部Ｃ１が保持している期間である。保持期間ＭＥＭ（ｎ，２）は、当該フレームの第２の露光期間又は第３の露光期間に光電変換部Ｄ１で生成された電荷を保持部Ｃ１が保持している期間である。保持期間ＭＥＭ（ｎ，２）は、当該フレームの第３の期間から次フレーム（第ｎ＋１フレーム）の第１の期間までの期間に対応する。

また、１フレーム期間の間における撮像動作には、第１の読み出し期間と、第２の読み出し期間とが含まれる。第１の読み出し期間は、第１の露光期間に蓄積された電荷に基づく信号の読み出し動作を実施する期間である。第２の読み出し期間は、第２の露光期間に蓄積された電荷に基づく信号及び第３の露光期間に蓄積された電荷に基づく信号の読み出し動作を実施する期間である。第１の読み出しは当該フレームの第２の期間内に行われ、第２の読み出しは次フレームの第１の期間内に行われる。

図１５は、本実施形態による撮像装置の駆動方法に用いられる駆動パルスの一例を模式的に示したものである。図１５には、第ｍ行目〜第ｍ＋３行目の画素１２の、制御線Ｔｘ１＿Ａに供給される制御信号ＰＴｘ１＿Ａと、制御線Ｔｘ１＿Ｂに供給される制御信号ＰＴｘ１＿Ｂと、制御線Ｔｘ２に供給される制御信号ＰＴｘ２とを示している。制御信号がハイレベルのときに対応するトランジスタがオンになり、制御信号がローレベルのときに対応するトランジスタがオフになる。

時刻Ｔ１までの期間には、前フレームの露光（第２及び第３の露光期間）が行われている。時刻Ｔ１より前に生じた前フレームの電荷は、光電変換部Ｄ１Ａ，Ｄ１Ｂ及び保持部Ｃ１に保持されている。制御信号ＰＴｘ１＿Ａ，ＰＴｘ１＿Ｂをハイレベルとして転送トランジスタＭ１Ａ，Ｍ１Ｂをオンにすることで、前フレームの露光期間に生じた電荷は、総て保持部Ｃ１に転送される。時刻Ｔ１において制御信号ＰＴｘ１＿Ａ，ＰＴｘ１＿Ｂをローレベルとして総ての画素１２で同時に転送トランジスタＭ１をオフにすることで、前フレームの露光期間は終了する。

光電変換部Ｄ１Ａ，Ｄ１Ｂに蓄積されていた前フレームの電荷が総て保持部Ｃ１に転送されると、光電変換部Ｄ１Ａ，Ｄ１Ｂは初期状態になる。すなわち、時刻Ｔ１において、総ての行の画素１２の光電変換部Ｄ１Ａ，Ｄ１Ｂが同時に電荷の蓄積を新たに開始する。時刻Ｔ１は、第１の露光期間及び第３の露光期間の開始時刻となる。

時刻Ｔ１までの間に保持部Ｃ１へと転送された電荷に基づく前フレームの信号は、時刻Ｔ１以降、順次読み出される（前フレームの第２の読み出し）。すなわち、制御信号ＰＴｘ２をハイレベルとして転送トランジスタＭ２をオンにすることで、保持部Ｃ１に保持されている電荷を保持部Ｃ２に転送する。これにより、保持部Ｃ２の容量と転送された電荷の量に応じて増幅部の入力ノード（増幅トランジスタＭ４のゲート）の電圧が変化し、出力線１４には入力ノードの電圧に基づく信号が出力される。

転送トランジスタＭ１Ａ，Ｍ１Ｂは、時刻Ｔ１から、少なくとも前フレームの第２の読み出しが終了するまでは、オフ状態に維持される。

次いで、前フレームの第２の読み出しが終了後、制御信号ＰＴｘ１＿Ａ又は制御信号ＰＴｘ１＿Ｂをハイレベルとして、転送トランジスタＭ１Ａ又は転送トランジスタＭ１Ｂをオンにする。これにより、時刻Ｔ１以降に光電変換部Ｄ１Ａ又は光電変換部Ｄ１Ｂで生じた電荷を保持部Ｃ１に転送する。ここでは一例として、１行毎に、転送トランジスタＭ１Ａを駆動する画素１２と、転送トランジスタＭ１Ｂを駆動する画素１２とを選択するものとする。例えば図１５に示すように、第ｍ行目及び第ｍ＋２行目の画素１２については転送トランジスタＭ１Ａを駆動し、第ｍ＋１行目及び第ｍ＋３行目の画素１２については転送トランジスタＭ１Ｂを駆動する。これにより、第ｍ行目及び第ｍ＋２行目の画素１２においては、第１の露光期間において光電変換部Ｄ１Ａで生じた電荷が保持部Ｃ１に転送される。また、第ｍ＋１行目及び第ｍ＋３行目の画素１２においては、第１の露光期間において光電変換部Ｄ１Ｂで生じた電荷が保持部Ｃ１に転送される。

時刻Ｔ２において、制御信号ＰＴｘ１＿Ａ，ＰＴｘ１＿Ｂをローレベルとしてオンになっている転送トランジスタＭ１Ａ，Ｍ１Ｂを同時にオフし、第１の露光期間を終了する。時刻Ｔ２は、第１の露光期間の終了時刻となる。保持されていた電荷が保持部Ｃ１に転送された光電変換部Ｄ１Ａ，Ｄ１Ｂは、初期状態になる。すなわち、時刻Ｔ２において、第ｍ行目及び第ｍ＋２行目の画素１２の光電変換部Ｄ１Ａ及び第ｍ＋１行目及び第ｍ＋３行目の画素１２の光電変換部Ｄ１Ｂが、同時に電荷の蓄積を新たに開始する。時刻Ｔ２は、第２の露光期間の開始時刻となる。これら画素１２において第１の露光期間に生じた電荷は、時刻Ｔ２以降、保持部Ｃ１によって保持される（保持期間ＭＥＭ（ｎ，１））。時刻Ｔ２以降に生じた電荷は光電変換部Ｄ１Ａ，Ｄ１Ｂに蓄積されるので、転送トランジスタＭ１Ａ，Ｍ１Ｂがオフ状態の間、保持部Ｃ１は、第１の露光期間に生じた電荷を保持することができる。

なお、第ｍ行目及び第ｍ＋２行目の画素１２の光電変換部Ｄ１Ｂ及び第ｍ＋１行目及び第ｍ＋３行目の画素１２の光電変換部Ｄ１Ａには、第１の期間において生じた電荷が保持されたままである。

時刻Ｔ２までの間に保持部Ｃ１へと転送された電荷に基づく信号は、時刻Ｔ２以降、順次読み出される（第１の読み出し）。

このようにすることで、第１の期間の間に光電変換部Ｄ１Ａに蓄積された電荷に基づく信号と光電変換部Ｄ１Ｂに蓄積された電荷に基づく信号とを、焦点検出用信号として出力することができる。

転送トランジスタＭ１Ａ，Ｍ１Ｂは、時刻Ｔ２から、少なくとも第１の読み出しが終了するまで、オフ状態に維持される。時刻Ｔ２以降、転送トランジスタＭ１Ａ，Ｍ１Ｂが最初にオンとなるまでの期間において光電変換部Ｄ１Ａ，Ｄ１Ｂで生じた電荷は、光電変換部Ｄ１Ａ，Ｄ１Ｂに蓄積される。

第１の読み出しが終了した後、制御信号ＰＴｘ１＿Ａ，ＰＴｘ１＿Ｂをハイレベルとして転送トランジスタＭ１Ａ，Ｍ１Ｂをオンにすることで、光電変換部Ｄ１Ａ，Ｄ１Ｂが保持している電荷を保持部Ｃ１に転送する。本実施形態の例では、図１５に示すように、第１の読み出しの終了後、間欠的に３回、転送トランジスタＭ１Ａ，Ｍ１Ｂをオンにしている。ここで、１回目の間欠駆動における制御信号ＰＴｘ１＿Ａ，ＰＴｘ１＿Ｂの立ち下がりのタイミングが時刻Ｔ３であり、３回目の間欠駆動における制御信号ＰＴｘ１＿Ａ，ＴＰｘ１Ｂの立ち下がりのタイミングが時刻Ｔ４である。

このとき、第ｍ行目及び第ｍ＋２行目の画素１２の光電変換部Ｄ１Ｂには、第１の期間において生じた電荷が保持されている。このため、第ｍ行目及び第ｍ＋２行目の画素１２では、１回目の間欠駆動において、第１の期間の間に光電変換部Ｄ１Ｂに蓄積された電荷と、第２の期間の間に光電変換部Ｄ１Ａ，Ｄ１Ｂに蓄積された電荷とが、保持部Ｃ１に転送される。以後の間欠駆動においても、光電変換部Ｄ１Ａ，Ｄ１Ｂから保持部Ｃ１への電荷の転送が同様に行われる。３回目の間欠駆動の後の時刻Ｔ４には、第１の期間の間に光電変換部Ｄ１Ｂで生じた電荷と、第２の期間及び第３の期間において光電変換部Ｄ１Ａ，Ｄ１Ｂで生じた電荷が保持部Ｃ１へ転送されることになる。

また、第ｍ＋１行目及び第ｍ＋３行目の画素１２の光電変換部Ｄ１Ａには、第１の期間において生じた電荷が保持されている。このため、第ｍ＋１行目及び第ｍ＋３行目の画素１２では、１回目の間欠駆動において、第１の期間の間に光電変換部Ｄ１Ａに蓄積された電荷と、第２の期間の間に光電変換部Ｄ１Ａ，Ｄ１Ｂに蓄積された電荷とが、保持部Ｃ１に転送される。以後の間欠駆動においても、光電変換部Ｄ１Ａ，Ｄ１Ｂから保持部Ｃ１への電荷の転送が同様に行われる。３回目の間欠駆動の後の時刻Ｔ４には、第１の期間の間に光電変換部Ｄ１Ａで生じた電荷と、第２の期間及び第３の期間において光電変換部Ｄ１Ａ，Ｄ１Ｂで生じた電荷が保持部Ｃ１へ転送されることになる。

転送トランジスタＭ１Ａ，Ｍ１Ｂを間欠的に駆動している理由は、第１実施形態の場合と同様である。第２の期間及び第３の期間において転送トランジスタＭ１Ａ，Ｍ１Ｂを間欠的に駆動する回数は特に限定されるものではなく、第２の期間及び第３の期間において転送トランジスタＭ１Ａ，Ｍ１Ｂをオン状態に維持してもよい。

次いで、時刻Ｔ４において、総ての行の制御信号ＰＴｘ１＿Ａ，ＰＴｘ１＿Ｂをハイレベルからローレベルへと遷移することにより、総ての行の画素１２の転送トランジスタＭ１Ａ，Ｍ１Ｂを同時にオンからオフに制御する。これにより、１フレームの露光期間が終了する。

次いで、次の第ｎ＋１フレームの第１の期間において、前述した第ｎ−１フレームの第２の読み出しと同様にして、第ｎフレームの第３の期間までに生じた電荷に基づく信号の読み出しを行う。

このとき、第ｍ行目及び第ｍ＋２行目の画素１２から読み出される信号は、第２の露光期間において光電変換部Ｄ１Ａで生じた電荷と第３の露光期間において光電変換部Ｄ１Ｂで生じた電荷とを加算したトータルの電荷に基づく信号となる。第１の読み出しと第２の読み出しとの間にリセット動作を行わない図５（ｂ）の駆動方法を用いた場合には、第３の露光期間において光電変換部Ｄ１Ａ，Ｄ１Ｂで生じたトータルの電荷に基づく信号となる。

また、第ｍ＋１行目及び第ｍ＋３行目の画素１２から読み出される信号は、第２の露光期間において光電変換部Ｄ１Ｂで生じた電荷と第３の露光期間において光電変換部Ｄ１Ａで生じた電荷とを加算したトータルの電荷に基づく信号となる。第１の読み出しと第２の読み出しとの間にリセット動作を行わない図５（ｂ）の駆動方法を用いた場合には、第３の露光期間において光電変換部Ｄ１Ａ，Ｄ１Ｂで生じたトータルの電荷に基づく信号となる。

したがって、このようにすることで、第１の期間から第３の期間の間に光電変換部Ｄ１Ａ，Ｄ１Ｂに蓄積された電荷に基づく信号を、画像用信号として出力することができる。

なお、図１５の例では、第ｍ行と第ｍ＋２行の転送トランジスタＭ１Ａ，Ｍ１Ｂの駆動タイミングが一致している。また、第ｍ＋１行と第ｍ＋３行の転送トランジスタＭ１Ａ，Ｍ１Ｂの駆動タイミングが一致している。しかしながら、焦点検出用信号が光電変換部Ｄ１Ａと光電変換部Ｄ１Ｂのそれぞれから出力される構成であればよく、各行の転送トランジスタＭ１Ａ，Ｍ１Ｂの駆動タイミングは適宜選択することができる。

また、制御線Ｔｘ１＿Ａ，Ｔｘ１＿Ｂは、転送トランジスタＭ１Ａ，Ｍ１Ｂに対して任意の組み合わせで配置することができる。すなわち、同じ行に、制御線Ｔｘ１＿Ａに転送トランジスタＭ１Ａが接続された画素１２と、制御線Ｔｘ１＿Ａに転送トランジスタＭ１Ｂが接続された画素１２とを含んでもよい。また、同じ行に、制御線Ｔｘ１＿Ｂに転送トランジスタＭ１Ａが接続された画素１２と、制御線Ｔｘ１＿Ｂに転送トランジスタＭ１Ｂが接続された画素１２とを含んでもよい。

また、焦点検出及び撮像を行うにあたり、図１５に示す駆動を行う画素１２が画素アレイ部１０内に複数含まれていればよく、総ての画素１２において上記の駆動を行わなくてもよい。その場合、図１５に記載の駆動を行わない画素１２については、第１乃至第４実施形態のいずれかに記載の駆動、または、そのほかの形態の駆動を行ってもよい。

本実施形態による撮像装置の駆動方法では、焦点検出用信号を、画像用信号とは異なるタイミングにおいて、画像用信号に先立って取得することができる。これにより、高速な焦点検出動作を行うことができる。

このように、本実施形態によれば、画素の飽和を抑制しつつ、グローバル電子シャッタ動作を行うことができる。また、焦点検出用信号を、画像用信号とは異なるタイミングにおいて、画像用信号に先立って取得することができる。これにより、焦点検出を高速化することができる。

［第６実施形態］
本発明の第６実施形態による撮像システムについて、図１６を用いて説明する。図１乃至図１５に示す第１乃至第５実施形態による撮像装置と同様の構成要素には同一の符号を付し、説明を省略し或いは簡潔にする。図１６は、本実施形態による撮像システムの構成を示すブロック図である。

上記第１乃至第５実施形態で述べた撮像装置１００は、種々の撮像システムに適用可能である。適用可能な撮像システムの例としては、デジタルスチルカメラ、デジタルカムコーダ、監視カメラ、複写機、ファックス、携帯電話、車載カメラ、観測衛星などが挙げられる。また、レンズなどの光学系と撮像装置とを備えるカメラモジュールも、撮像システムに含まれる。図１６には、これらのうちの一例として、デジタルスチルカメラのブロック図を例示している。

図１６に例示した撮像システム２００は、撮像装置１００、被写体の光学像を撮像装置１００に結像させるレンズ２０２、レンズ２０２を通過する光量を可変にするための絞り２０４、レンズ２０２の保護のためのバリア２０６を有する。レンズ２０２及び絞り２０４は、撮像装置１００に光を集光する光学系である。撮像装置１００は、第１乃至第５実施形態で説明した撮像装置１００であって、レンズ２０２により結像された光学像を画像データに変換する。

撮像システム２００は、また、撮像装置１００より出力される出力信号の処理を行う信号処理部２０８を有する。信号処理部２０８は、撮像装置１００が出力するアナログ信号をデジタル信号に変換するＡＤ変換を行う。また、信号処理部２０８はその他、必要に応じて各種の補正、圧縮を行って画像データを出力する動作を行う。信号処理部２０８の一部であるＡＤ変換部は、撮像装置１００が設けられた半導体基板に形成されていてもよいし、撮像装置１００とは別の半導体基板に形成されていてもよい。また、撮像装置１００と信号処理部２０８とが同一の半導体基板に形成されていてもよい。

撮像システム２００は、さらに、画像データを一時的に記憶するためのメモリ部２１０、外部コンピュータ等と通信するための外部インターフェース部（外部Ｉ／Ｆ部）２１２を有する。さらに撮像システム２００は、撮像データの記録又は読み出しを行うための半導体メモリ等の記録媒体２１４、記録媒体２１４に記録又は読み出しを行うための記録媒体制御インターフェース部（記録媒体制御Ｉ／Ｆ部）２１６を有する。なお、記録媒体２１４は、撮像システム２００に内蔵されていてもよく、着脱可能であってもよい。

さらに撮像システム２００は、各種演算とデジタルスチルカメラ全体を制御する全体制御・演算部２１８、撮像装置１００と信号処理部２０８に各種タイミング信号を出力するタイミング発生部２２０を有する。ここで、タイミング信号などは外部から入力されてもよく、撮像システム２００は少なくとも撮像装置１００と、撮像装置１００から出力された出力信号を処理する信号処理部２０８とを有すればよい。

撮像装置１００は、画像用信号を信号処理部２０８に出力する。信号処理部２０８は、撮像装置１００から出力される画像用信号に対して所定の信号処理を実施し、画像データを出力する。第５実施形態の撮像装置１００にあっては、画像用信号に加え、焦点検出用信号をも信号処理部２０８に出力する。信号処理部２０８は、焦点検出用信号を用いて、合焦しているか否かを検出する。また、信号処理部２０８は、画像用信号を用いて、画像を生成する。信号処理部２０８が合焦していないことを検出した場合には、全体制御・演算部２１８は、合焦する方向に光学系を駆動する。再び信号処理部２０８は、撮像装置１００から出力される焦点検出用信号を用いて、再び合焦しているか否かを検出する。以下、撮像装置１００、信号処理部２０８、全体制御・演算部２１８は、合焦するまでこの動作を繰り返す。

ワイドダイナミックレンジ画像を取得する場合にあっては、全体制御・演算部２１８は、短秒蓄積信号に基づく画像データと、長秒蓄積信号に基づく画像データとを合成する処理を実施する。

第１乃至第５実施形態による撮像装置１００を適用することにより、被写体の位置ずれが小さく黒つぶれや白飛びのないワイドダイナミックレンジ画像を取得しうる撮像システムを実現することができる。また、高速な焦点検出動作が可能な撮像システムを実現することができる。

［その他の実施形態］
本発明は、上記実施形態に限らず種々の変形が可能である。

例えば、上記実施形態では、信号電荷として電子を生成する光電変換部Ｄ１を用いた撮像装置を例にして説明したが、信号電荷として正孔を生成する光電変換部Ｄ１を用いた撮像装置についても同様に適用可能である。この場合、画素１２を構成するトランジスタの導電型は、逆導電型になる。なお、上記実施形態に記載したトランジスタのソースとドレインの呼称は、トランジスタの導電型や着目する機能等に応じて異なることもあり、上述のソース及びドレインの全部又は一部が逆の名称で呼ばれることもある。

また、上記第２及び第３実施形態では、第１の露光期間の開始時刻を、オーバーフロートランジスタＭ６の駆動タイミングによって制御した。しかしながら、例えば静止画の撮像を行う場合、第１の露光期間の開始時刻は、必ずしもオーバーフロートランジスタＭ６の駆動タイミングによって制御する必要はない。静止画の撮像を行う場合、前フレームの蓄積電荷は必ずしも保持部Ｃ１で保持しておく必要はないため、光電変換部Ｄ１の初期化を、保持部Ｃ１，Ｃ２を介してリセットトランジスタＭ３により行うことも可能である。

また、上記第５実施形態では、撮像信号の取得に先立って焦点検出用信号を取得したが、焦点検出用信号は、必ずしも撮像信号の取得に先立って取得する必要はない。

また、上記第５実施形態では、２つの光電変換部Ｄ１Ａ，Ｄ１Ｂを有する画素１２について説明したが、１つの画素１２に含まれる光電変換部Ｄ１の数は、２つ以上であってもよい。また、１つの画素１２に必ずしも複数の光電変換部Ｄ１を設ける必要はなく、光電変換部Ｄ１上を覆う遮光膜等によって、画素１２毎に異なる瞳領域の光を受光するように構成してもよい。

また、第５実施形態の撮像装置の画素１２に、第２乃至第４実施形態で説明したオーバーフロートランジスタを追加するようにしてもよい。

また、第６実施形態に示した撮像システムは、本発明の撮像装置を適用しうる撮像システムの一例を示したものであり、本発明の撮像装置を適用可能な撮像システムは図１６に示した構成に限定されるものではない。

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。

Ｄ１，Ｄ１Ａ，Ｄ１Ｂ…光電変換部
Ｃ１，Ｃ２…保持部
Ｍ１，Ｍ１Ａ，Ｍ１Ｂ，Ｍ２…転送トランジスタ
Ｍ３…リセットトランジスタ
Ｍ４…増幅トランジスタ
Ｍ５…選択トランジスタ
Ｍ６…オーバーフロートランジスタ
１０…画素アレイ部
１２…画素
１４…出力線

Claims (10)

1. 光電変換により電荷を生じる光電変換部と、前記光電変換部から転送される電荷を保持する保持部と、前記保持部から転送される電荷に基づく信号を出力する増幅部とをそれぞれが含む複数の画素を有し、
   前記複数の画素は、第１の露光期間の間に生じた電荷に基づく第１の信号と、前記第１の露光期間とは長さが異なる第２の露光期間の間に生じた電荷に基づく第２の信号とを出力するように構成されており、
   前記第１の露光期間において、生じた電荷を前記光電変換部が蓄積するとともに、前記保持部が保持する電荷を前記保持部から前記増幅部に転送し、前記第２の信号として出力し、
   前記第２の露光期間は、生じた電荷を前記光電変換部のみで蓄積する期間と、生じた電荷を前記光電変換部と前記保持部で保持する期間とを有し、
   前記第２の露光期間の前記光電変換部のみで蓄積する期間において、前記保持部が保持する電荷を前記保持部から前記増幅部に転送し、前記第１の信号として出力する
   ことを特徴とする撮像装置。
2. 前記第２の露光期間の間に生じた電荷を間欠的に前記光電変換部から前記保持部へ転送する
   ことを特徴とする請求項１記載の撮像装置。
3. 前記第２の露光期間は、前記第１の露光期間よりも長い
   ことを特徴とする請求項１または２に記載の撮像装置。
4. 前記第１の露光期間及び前記第２の露光期間は、前記複数の画素において一致している
   ことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の撮像装置。
5. １フレーム期間の開始時刻と、前記第１の露光期間の開始時刻とが異なっている
   ことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の撮像装置。
6. 前記第１の信号に基づく第１の画像と、前記第２の信号に基づく第２の画像とから、ワイドダイナミックレンジ画像を取得する
   ことを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の撮像装置。
7. 光電変換により電荷を生じる光電変換部と、前記光電変換部から転送される電荷を保持する保持部と、前記保持部から転送される電荷に基づく信号を出力する増幅部とをそれぞれが含む複数の画素を有し、前記複数の画素が、第１の露光期間の間に生じた電荷に基づく第１の信号と、前記第１の露光期間とは長さが異なる第２の露光期間の間に生じた電荷に基づく第２の信号とを出力する撮像装置の駆動方法であって、
   前記第１の露光期間において、生じた電荷を前記光電変換部に蓄積するとともに、前記保持部が保持している電荷を前記増幅部に転送し、前記第２の信号として出力し、
   前記第２の露光期間において、生じた電荷を前記光電変換部のみで蓄積する期間と、生じた電荷を前記光電変換部と前記保持部で保持する期間とを実施し、
   前記第２の露光期間の前記光電変換部のみで蓄積する期間において、前記保持部が保持する電荷を前記保持部から前記増幅部に転送し、前記第１の信号として出力する
   ことを特徴とする撮像装置の駆動方法。
8. 請求項１乃至６のいずれか１項に記載の撮像装置と、
   前記撮像装置からの信号を処理する信号処理部と
   を有することを特徴とする撮像システム。
9. 前記信号処理部は、前記第１の信号に基づく第１の画像と、前記第２の信号に基づく第２の画像とから、ワイドダイナミックレンジ画像を取得する
   ことを特徴とする請求項８記載の撮像システム。
10. 前記信号処理部は、前記第１の信号に基づき焦点検出用信号を生成し、前記第２の信号に基づき画像用信号を生成する
    ことを特徴とする請求項８記載の撮像システム。

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