JPWO2018062561A1 - 撮像素子およびカメラ - Google Patents

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Abstract

撮像素子は、入射した光を光電変換して電荷を生成する光電変換部を有し、前記光電変換部で生成された電荷に基づく信号を出力する第１画素と、光を遮光する遮光状態と光を透過する透過状態とを切換可能なフィルタ部と、前記フィルタ部を透過した光を光電変換して電荷を生成する光電変換部とを有し、前記光電変換部で生成された電荷に基づく信号を出力する第２画素と、前記第２画素のフィルタ部を透過状態にして前記第１画素と前記第２画素に入射した光を光電変換する第１の露光制御と、前記第２画素のフィルタ部を遮光状態にして前記第２画素の光電変換部に蓄積されていた電荷を保持させて前記第１画素に入射した光を光電変換する第２の露光制御とを切換える露光制御部と、前記第１の露光制御を行い前記第１画素と前記第２画素の一部とから前記信号を出力した後、前記第２の露光制御を行い前記第１画素と前記一部の第２画素を除く前記第２画素とから前記信号を出力する出力制御部と、を備える。

Description

本発明は、撮像素子およびカメラに関する。
動画像撮像中に静止画像データを生成する撮像装置が知られている（特許文献１）。しかし、従来の撮像装置は、動画撮影時のフレームレートが低下すると言う問題が有った。
日本国特開２００７−１５０４３９号公報
本発明の第１の態様によると、撮像素子は、入射した光を光電変換して電荷を生成する光電変換部を有し、前記光電変換部で生成された電荷に基づく信号を出力する第１画素と、光を遮光する遮光状態と光を透過する透過状態とを切換可能なフィルタ部と、前記フィルタ部を透過した光を光電変換して電荷を生成する光電変換部とを有し、前記光電変換部で生成された電荷に基づく信号を出力する第２画素と、前記第２画素のフィルタ部を透過状態にして前記第１画素と前記第２画素に入射した光を光電変換する第１の露光制御と、前記第２画素のフィルタ部を遮光状態にして前記第２画素の光電変換部に蓄積されていた電荷を保持させて前記第１画素に入射した光を光電変換する第２の露光制御とを切換える露光制御部と、前記第１の露光制御を行い前記第１画素と前記第２画素の一部とから前記信号を出力した後、前記第２の露光制御を行い前記第１画素と前記一部の第２画素を除く前記第２画素とから前記信号を出力する出力制御部と、を備える。
本発明の第２の態様によると、カメラは、入射光を光電変換して電荷を生成し蓄積する光電変換部を有し前記光電変換部で生成された電荷に基づく信号を出力する第１画素と、入射光を遮光する遮光状態と前記入射光を透過させる透過状態とを切換えるフィルタ部と、前記フィルタ部を透過した光を光電変換して電荷を生成し蓄積する光電変換部とを有し前記光電変換部で生成された電荷に基づく信号を出力する第２画素と、前記第２画素のフィルタ部を透過状態にして前記第１画素と前記第２画素に入射した光を光電変換する第１の露光制御と、前記第２画素のフィルタ部を遮光状態にして前記第２画素の光電変換部に蓄積されていた電荷を保持させて前記第１画素に入射した光を光電変換する第２の露光制御とを切換える露光制御部と、前記第１の露光制御を行い前記第１画素と前記第２画素の一部とから前記信号を出力した後、前記第２の露光制御を行い前記第１画素と前記一部の第２画素を除く前記第２画素とから前記信号を出力する出力制御部と、を備える。
本発明の第３の態様によると、撮像素子は、光電変換部を有する複数の画素と、前記複数の画素のうちの一部の画素の信号を動画用信号として読み出す第１の読み出し部と、前記第１の読み出し部による複数回の動画用信号の読み出し動作のうちの一つの読み出し動作に関連して複数の画素の信号を記憶する記憶部と、前記記憶部に記憶された前記信号を静止画用信号として読み出す第２の読み出し部と、を備える。
本発明の第４の態様によると、撮像素子は、光を遮光する遮光状態と光を透過する透過状態とを切換可能なフィルタ部と、前記フィルタ部を透過した光を光電変換して電荷を生成する光電変換部と、前記光電変換部で生成された電荷に基づく信号を出力する出力部とを有する複数の画素と、複数のうち一部の前記画素の前記出力部から信号を出力させた後、前記一部を除く前記画素の前記フィルタ部を遮光状態にして前記出力部から信号を出力させる制御部と、を備える。
本発明の第５の態様によると、撮像素子は、光を光電変換して電荷を生成する光電変換部と、前記光電変換部で生成された電荷に基づく信号を出力部する第１画素と、光を遮光する遮光状態と光を透過する透過状態とを切換可能なフィルタ部と、前記フィルタ部を透過した光を光電変換して電荷を生成する光電変換部と、前記光電変換部で生成された電荷に基づく信号を出力する出力部とを有する第２画素と、前記第１画素の前記出力部から信号を出力させた後、前記第２画素の前記フィルタ部を遮光状態にして前記第２画素の前記出力部から信号を出力させる制御部と、を備える。
第１の実施の形態に係る撮像装置の構成を示すブロック図である。 第１の実施の形態に係る撮像素子の一部の構成を示すブロック図である。 第１の実施の形態に係る撮像素子を説明するための図である。 第１の実施の形態に係る撮像素子の信号の読み出し方法を説明するための図である。 第１の実施の形態に係る撮像素子の信号の読み出し方法の具体例を説明するための図である。 第１の実施の形態に係る撮像素子の画素の構成を示す回路図である。 第１の実施の形態に係る撮像素子の一部の構成を示す回路図である。 第１の実施の形態に係る撮像素子の動作例を示すタイミングチャートである。 変形例１に係る撮像素子の構成の一例を示す回路図である。 変形例１に係る撮像素子の構成の別の例を示す回路図である。 変形例２に係る撮像素子の画素の構成を示す回路図である。
（第１の実施の形態）
図１は、第１の実施の形態に係る撮像装置の構成を示すブロック図である。図１では、第１の実施の形態に係る撮像装置の一例である電子カメラ１（以下、カメラ１と称する）の構成例を示す。カメラ１は、撮像光学系（結像光学系）２、撮像素子３、制御部４、メモリ５、表示部６、および操作部７を備える。撮影光学系２は、複数のレンズおよび絞りを有し、撮像素子３に被写体像を結像する。なお、撮影光学系２は、カメラ１から着脱可能にしてもよい。
撮像素子３は、例えば、ＣＭＯＳイメージセンサである。撮像素子３は、撮影光学系２により形成された被写体像を撮像する。撮像素子３には、後に詳述するように、マイクロレンズと、透過波長を変更可能なフィルタ部と、光電変換部とを有する複数の画素が２次元状に配置される。光電変換部は、例えばフォトダイオード（ＰＤ）によって構成される。撮像素子３は、入射した光を光電変換して画素信号を生成し、生成した画素信号を制御部４に出力する。画素信号は、光電変換部によって光電変換された電荷に基づいて生成される信号である。撮像素子３は、詳細は後述するが、静止画像データを生成するための静止画用の画素信号と、動画像データを生成するための動画用の画素信号とを、制御部４に出力する。ここで、動画像とは、全画素のうちの特定の行や列の画素を間引いて読み出した画素信号、または複数の画素の信号を加算して読み出した画素信号に基づいて生成される画像である。また、静止画像とは、このような間引き読み出しや加算読出しを行わずに撮像素子３の各画素から個別に読み出した画素信号に基づいて生成される画像である。
メモリ５は、例えば、メモリカード等の記録媒体である。メモリ５には、静止画像データや動画像データ等が記録される。メモリ５へのデータの書き込みや、メモリ５からのデータの読み出しは、制御部４によって行われる。表示部６は、静止画像データに基づく静止画像、動画像データに基づく動画像、シャッター速度や絞り値等の撮影に関する情報、およびメニュー画面等を表示する。操作部７は、静止画撮影用のボタン、動画撮影用のボタン、各種設定スイッチ等を含み、それぞれの操作に応じた操作信号を制御部４へ出力する。
制御部４は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ等により構成され、制御プログラムに基づきカメラ１の各部を制御する。また、制御部４は、動画像生成部４ａと、静止画像生成部４ｂとを有する。動画像生成部４ａは、撮像素子３から出力される動画用の画素信号に対して各種の画像処理を行って、動画像データを生成する。静止画像生成部４ｂは、撮像素子３から出力される静止画用の画素信号に対して各種の画像処理を行って、静止画像データを生成する。画像処理には、例えば、階調変換処理、色補間処理、輪郭強調処理等の公知の画像処理が含まれる。
図２および図３を参照して、第１の実施の形態に係る撮像素子３の構成について説明する。図２は、第１の実施の形態に係る撮像素子３の一部の構成を示すブロック図である。図３は、第１の実施の形態に係る撮像素子３を説明するための図である。図３（ａ）は、撮像素子３の断面構造の一例を示す図であり、図３（ｂ）は、撮像素子３のフィルタ部の透明電極のレイアウト例を説明するための平面図である。
図２に示すように、撮像素子３は、複数の画素１０と、フィルタ垂直駆動部４０と、フィルタ水平駆動部５０と、フィルタ制御部６０と、画素垂直駆動部７０と、カラム回路部８０と、水平走査部９０と、出力部１００と、システム制御部１１０とを備える。撮像素子３では、画素１０が二次元状（例えば、第１方向である行方向およびそれと交差する第２方向である列方向）に配置される。図２に示す例では、説明を簡略化するために、画素１０は水平方向１５画素×垂直方向１２画素のみ図示しているが、撮像素子３は、例えば数百万画素〜数億画素、又はそれ以上の画素を有する。
図３（ａ）に示すように、撮像素子３は、半導体基板２２０と、配線層２１０と、支持基板２００と、マイクロレンズ３１と、フィルタ部３５とを備える。図３（ａ）に示す例では、撮像素子３は、裏面照射型の撮像素子として構成されている。半導体基板２２０は、配線層２１０を介して支持基板２００に積層される。半導体基板２２０は、シリコン等の半導体基板により構成され、支持基板２００は、半導体基板やガラス基板等により構成される。配線層２１０は、導体膜（金属膜）および絶縁膜を含む配線層であり、複数の配線やビアなどが配置される。導体膜には、銅、アルミニウム等が用いられる。絶縁膜は、酸化膜や窒化膜などで構成される。図３（ａ）に示すように、撮影光学系２を通過した光は、主にＺ軸プラス方向へ向かって入射する。また、座標軸に示すように、Ｚ軸に直交する紙面右方向をＸ軸プラス方向、Ｚ軸およびＸ軸に直交する紙面手前方向をＹ軸プラス方向とする。
画素１０は、マイクロレンズ３１と、フィルタ部３５と、遮光膜３２と、光電変換部３４とを含んで構成される。マイクロレンズ３１は、入射した光を光電変換部３４に集光する。遮光膜３２は、隣接する画素１０の境界に配置され、隣接画素間で光が漏れることを抑制する。
フィルタ部３５は、マイクロレンズ３１側から半導体基板２２０側に向かって順次積層されたエレクトロクロミック（以下、ＥＣと称する）層２１、２２、２３と、透明電極１１、１２、１３、１４とを有する。ＥＣ層２１〜２３は、金属酸化物等のエレクトロクロミック材料を用いて形成される。透明電極１１〜１４は、例えばＩＴＯ（酸化インジウムスズ）等により形成される。ＥＣ層２１と透明電極１２との間、ＥＣ層２２と透明電極１３との間、及びＥＣ層２３と透明電極１４との間には、絶縁膜３３がそれぞれ設けられる。また、フィルタ部３５には、不図示の電解質層（電解質膜）が設けられる。
透明電極１１は、図３（ｂ）に明示したように、Ｘ方向に、即ち行方向に配列された複数のＥＣ層２１の一方の面を覆うように、行方向に配列された複数のＥＣ層毎に、配置される。図２に示した例では、画素１０の配列は、１２行であるので、透明電極１１は、１２本並置されている。透明電極１２及び透明電極１３は、透明電極１１と同様に、Ｘ方向に配置された複数のＥＣ層２２及びＥＣ層２３の一方の面を覆うように配置される。
透明電極１４は、３つのＥＣ層２１、２２、２３に共通の電極で、ＥＣ層２３の他方の面側に配置される。共通透明電極１４は、図３（ｂ）に明示したように、Ｙ方向、即ち列方向に配列された複数のＥＣ層２３に沿って、列方向に配列された複数のＥＣ層毎に、配置される。図２に示した例では、画素１０の配列は、１５列であるので、共通透明電極１４は、１５本並置されている。
透明電極１１〜１３および共通透明電極１４は、ＥＣ層２１、２２、２３に対してマトリクス状（網目状）に配置される電極となる。透明電極１１〜１３は、フィルタ垂直駆動部４０に接続され、共通透明電極１４は、フィルタ水平駆動部５０に接続される。これにより、本実施の形態では、マトリクス状の電極を用いてＥＣ層２１、２２、２３の駆動制御を行うアクティブマトリクス駆動を行うことができる。
ＥＣ層２１は、透明電極１１と共通透明電極１４とによる駆動信号の供給によって酸化還元反応を生じることによりＢ（青）を発色する。従って、ＥＣ層２１は、駆動信号の供給によって、入射光のうち、Ｂ（青）に対応する波長域の光を透過させる。ＥＣ層２２は、透明電極１２と共通透明電極１４とによる駆動信号の供給によって酸化還元反応を生じることによりＧ（緑）を発色する。従って、ＥＣ層２２は、駆動信号の供給によって、入射光のうち、Ｇ（緑）に対応する波長域の光を透過させる。ＥＣ層２３は、透明電極１３と共通透明電極１４とによる駆動信号の供給によって酸化還元反応を生じることによりＲ（赤）を発色する。従って、ＥＣ層２３は、駆動信号の供給によって、入射光のうち、Ｒ（赤）に対応する波長域の光を透過させる。ＥＣ層２１、２２、２３は、上述の駆動信号の供給を停止した場合は、一定時間の間は上記の発色が持続され、リセット信号を供給した場合は、フィルタ部３５に入射する光のうちの全ての波長域の光を透過する透明（消色）の状態になる。
上述のように、複数のフィルタ部３５の各々は、Ｂ（青）を発色するＥＣ層２１、Ｇ（緑）を発色するＥＣ層２２、およびＲ（赤）を発色するＥＣ層２３の３つのフィルタにより構成される。これにより、フィルタ部３５は、ＥＣ層２１〜２３の透過波長の組み合わせにより、Ｗ（白）、ＢＫ（黒）、Ｒ（赤）、Ｇ（緑）、Ｂ（青）のいずれかの波長域の光を主に透過させることが可能となる。
３つのＥＣ層２１、２２、２３のいずれにも、駆動信号が供給されていない状態では、３層ＥＣ透過波長域は、Ｗ（白）となる。３つのＥＣ層２１、２２、２３の全てに駆動信号を供給すると、３層ＥＣ透過波長域は、ＢＫ（黒）となる。同様に、ＥＣ層２１のみに、ＥＣ層２２のみに、及びＥＣ層２３のみに、それぞれ駆動信号を供給した場合には、３層ＥＣ透過波長域は、それぞれＢ（青）、Ｇ（緑）、Ｒ（赤）になる。即ち、フィルタ部３５は、ＥＣ層２１のみに駆動信号を供給した場合にはＢ（青）の色フィルタとなり、ＥＣ層２２のみに駆動信号を供給した場合にはＧ（緑）の色フィルタとなり、ＥＣ層２３のみに駆動信号を供給した場合にはＲ（赤）の色フィルタとなる。
後述するように、各フィルタ部３５は、動画撮影時又は静止画撮影時には、Ｂ（青）の色フィルタ、Ｇ（緑）の色フィルタ、Ｒ（赤）の色フィルタに制御される。例えば、Ｒの色フィルタを有する画素（以下、Ｒ画素と称する）と、Ｇの色フィルタを有する画素（以下、Ｇ画素と称する）と、Ｂの色フィルタを有する画素（以下、Ｂ画素と称する）とが、ベイヤー配列される。
また、フィルタ部３５は、動画撮影中に静止画撮影が指示された時には、一部の画素についてＢ（青）の色フィルタ、Ｇ（緑）の色フィルタ、Ｒ（赤）の色フィルタに制御され、残部の画素についてＢＫ（黒）に制御される。
図２において、フィルタ制御部６０は、フィルタ垂直駆動部４０およびフィルタ水平駆動部５０から各フィルタ部３５に入力される信号を制御することにより、各フィルタ部３５の透過波長を設定（変更）する。フィルタ垂直駆動部４０は、複数のフィルタ部３５の行を選択して、即ち、複数の透明電極１１〜１３のうちの所定の透明電極を選択してそれに駆動信号を供給する。フィルタ水平駆動部５０は、複数のフィルタ部３５の列を選択して、即ち、複数の共通透明電極１４のうちの所定の共通透明電極を選択してそれに駆動信号を供給する。こうして、フィルタ垂直駆動部４０によって選択された透明電極１１〜１３とフィルタ水平駆動部５０によって選択された共通透明電極１４との両方に関するＥＣ層が発色する。
例えば、図３（ｂ）において、フィルタ水平駆動部５０が３本の共通透明電極１４のうちの右端の共通透明電極１４を選択して駆動信号を供給し、更にフィルタ垂直駆動部４０が９本の透明電極１１〜１３のうち図３（ｂ）において上端の透明電極１１を選択して駆動信号を供給すると、右上端に位置するＥＣ層２１が発色する。また、フィルタ水平駆動部５０が同じ共通透明電極１４を選択して駆動信号を供給し、更にフィルタ垂直駆動部４０が図３（ｂ）において上端の透明電極１２を選択して駆動信号を供給すると、右上端のＥＣ層２２が発色する。また、フィルタ水平駆動部５０が同じ共通透明電極１４を選択して駆動信号を供給し、更にフィルタ垂直駆動部４０が図３（ｂ）において上端の透明電極１３を選択して駆動信号を供給すると、右上端のＥＣ層２３が発色する。
図２において、システム制御部１１０は、電子カメラ１の制御部４からの信号に基づいて、フィルタ制御部６０、画素垂直駆動部７０、カラム回路部８０、水平走査部９０、および出力部１００を制御する。また、システム制御部１１０は、動画用読み出し部１１１と、静止画用読み出し部１１２とを有する。
動画用読み出し部１１１は、ユーザにより動画撮影用のボタンが操作されて動画撮影の指示が行われた場合に、撮像素子３に設けられた全画素１０のうち動画像データを生成するために用いる画素（以下、動画用画素と称する）を選択し画素信号を読み出す。即ち、動画用読み出し部１１１は、動画撮影時に全画素１０のうちから、画素信号を読み出すべき画素を指定する。動画用読み出し部１１１は、全画素１０のうちの特定の行や列の画素を間引いて動画用画素を選択し、選択された動画用画素から画素信号を読み出す。すなわち、動画用読み出し部１１１は、間引き読み出しを行うことによって、所定のフレームレートで動画撮影を行う制御を行う。動画用読み出し部１１１は、例えば図２に斜線で示す複数の画素１０を、動画用画素として選択して画素信号を読み出す。図２に示す例では、９画素に１画素の割合で動画用画素が選択されている。詳述すると、全画素を、３画素×３画素の９画素からなるブロックに分割し、各ブロック内の同一位置の画素が選択される。このように動画用画素を選択すると、選択された動画用画素もベイヤー配列となる。
静止画用読み出し部１１２は、ユーザにより静止画撮影用のボタンが操作されて静止画撮影の指示が行われた場合に、静止画像データを生成するために用いる画素（以下、静止画用画素と称する）を選択して画素信号を読み出す。本実施の形態では、静止画用読み出し部１１２は、撮像素子３の全ての画素１０を静止画用画素として選択し、全画素１０から画素信号を読み出す。
また、静止画用読み出し部１１２は、動画撮影中に静止画撮影用のボタンが操作されて、動画撮影の指示と静止画撮影の指示とが行われた場合は、動画撮影中に静止画撮影を行うための制御を行う。具体的には、静止画用読み出し部１１２は、全画素１０を静止画用画素として選択するが、一度に全ての静止画用画素の画素信号を読み出すのではなく、静止画用画素の画素信号を動画像の複数のフレームに分けて読み出す。静止画用読み出し部１１２は、例えば１フレーム分の静止画用画素を動画像の２つのフレームに分けて読み出す場合には、全画素１０のうち、その一部（例えば全画素の１/２）を動画像の第１のフレームで読み出し、残部の画素を動画像の第２のフレームで読み出す。静止画用読み出し部１１２は、動画像の複数のフレームに分けた静止画用画素の画素信号を、対応するフレームの動画用画素の画素信号の読み出し時にそれぞれ読み出す。
画素垂直駆動部７０は、動画用読み出し部１１１および静止画用読み出し部１１２からの信号に基づいて、後述する信号ＴＸ、信号ＲＳＴ、信号ＳＥＬなどの制御信号を各画素１０に供給して、各画素１０の動作を制御する。
カラム回路部８０は、複数のアナログ／デジタル変換部（ＡＤ変換部）を含んで構成され、各画素１０から後述する垂直信号線３０を介して入力された信号をデジタル信号に変換し、変換後のデジタル信号を水平走査部９０に出力する。水平走査部９０は、カラム回路部８０から出力された信号を、出力部１００に順次出力する。出力部１００は、不図示の信号処理部を有し、水平走査部９０から入力された信号に対して相関二重サンプリングや信号量を補正する処理等の信号処理を行い、電子カメラ１の制御部４に出力する。出力部１００は、ＬＶＤＳやＳＬＶＳ等の高速インタフェースに対応した入出力回路等を有し、信号を制御部４に高速に伝送する。
次に、図４を用いて、動画撮影と並行して静止画撮影を行う場合の撮像素子３の動作を説明する。図４（ａ）は、動画撮影時の（Ｎ−１）フレームにおける、動画用読み出し部１１１によって画素信号が読み出される動画用画素を示したものである。図４（ｂ）は、動画撮影時のＮフレームにおける、動画用読み出し部１１１によって画素信号が読み出される動画用画素と、静止画用読み出し部１１２によって画素信号が読み出される静止画用画素とを示したものである。図４（ｃ）〜（ｅ）は、それぞれ、動画撮影時の（Ｎ＋１）、（Ｎ＋２）、（Ｎ＋３）フレームにおける、動画用読み出し部１１１によって画素信号が読み出される動画用画素と、静止画用読み出し部１１２によって画素信号が読み出される静止画用画素とを示したものである。
図４において、撮像素子３の全画素を３画素×３画素の９画素からなるブロックＢＬに分割した時の一つのブロックＢＬが示されている。ブロックＢＬにおいて、太枠で囲まれた画素１０は、動画用読み出し部１１１によって画素信号が読み出される動画用画素（図４ではＲ画素）である。また、丸が付けられた画素は、静止画用読み出し部１１２によって画素信号が読み出される静止画用画素である。
所定のフレームレートによる動画撮影時には、各画素のフィルタ部３５は、Ｂ（青）の色フィルタ、Ｇ（緑）の色フィルタ、Ｒ（赤）の色フィルタに制御される。従って、図４（ａ）に示す動画撮影時の（Ｎ−１）フレームにおいて、撮像素子３の画素１０は、Ｇ画素とＲ画素とＢ画素とがベイヤー配列に従って配置されている。動画用読み出し部１１１は、各ブロックＢＬ内の同一位置の一つの画素（図示例では、ブロックＢＬ内で１行目２列目の太枠で囲んだＲ画素）を動画用画素として選択し、その動画用画素から画素信号を読み出す。動画用読み出し部１１１は、図示のブロックＢＬと左右方向及び上下方向にそれぞれ隣接するブロックではＧ画素から画素信号を読み出し、図示のブロックＢＬと斜め方向に隣接するブロックではＢ画素から画素信号を読み出す。従って、動画用読み出し部１１１は、ベイヤー配列に従ったＲ画素、Ｇ画素、Ｂ画素から１／９の間引き読み出しを行う。
このように読み出された動画用画素の画素信号は、図１の動画像生成部４ａにおいて、動画像データの生成に用いられる。
このような動画撮影中に、静止画撮影用のボタンが操作されて静止画撮影の指示が行われると、図４（ｂ）に示したように、動画用読み出し部１１１は、（Ｎ−１）フレームと同様にブロックＢＬ内で１行目２列目の太枠で囲んだＲ画素を動画用画素として選択し、その動画用画素から画素信号を読み出す。同時に、静止画用読み出し部１１２は、ブロックＢＬ内の１行目の丸で囲んだ３つの静止画用画素、即ちＧ画素とＲ画素とＧ画素から、それぞれ画素信号を読み出す。このように、Ｎフレームでは、太枠及び丸で囲まれた１行目２列目のＲ画素は、動画用読み出し部１１１と静止画用読み出し部１１２との両方に、動画用画素及び静止画用画素として選択され、その画素信号が読み出される。
このように読み出された動画用画素の画素信号は、図１の動画像生成部４ａにおいて、動画像データの生成に用いられる。また、読み出された静止画用画素の画素信号は、図１のメモリ５又は制御部４内の不図示のメモリに一時的に記憶される。
図４（ｂ）に示した動画像のＮフレームでは、上述の動画用画素及び静止画用画素の画素信号の読み出しに同期して又はその読み出しの前後に、斜線が付された画素について、フィルタ制御部６０がフィルタ部３５をＢＫ（黒）状態、即ち遮光状態に変化させる。詳述すると、Ｎフレームでは、静止画用読み出し部１１２によって画素信号が読み出される静止画用画素以外の斜線が付された画素は、フィルタ部３５が遮光状態に制御される。
フィルタ部３５が遮光状態になった画素は、光電変換部３４への入射光がフィルタ部３５によって遮光されるので、光電変換部３４で光電変換された電荷が保持される。即ち、遮光状態の画素の光電変換部３４は、フィルタ部３５が遮光状態になる前に光電変換して蓄積された電荷を保持する。このように、Ｎフレームでは、全画素のうち、一部の画素の画素信号が動画用画素及び静止画用画素の画素信号として読み出される。また、全画素のうち、残りの遮光状態の画素の光電変換部３４に蓄積された電荷は、その後の（Ｎ＋１）フレーム、（Ｎ＋２）フレーム、（Ｎ＋３）フレームまで、保持される。
図４（ｃ）に示す動画像の（Ｎ＋１）フレームでは、動画用読み出し部１１１は、Ｎフレームと同様にブロックＢＬ内で１行目２列目の太枠で囲んだＲ画素を動画用画素として選択し、その画素信号を読み出す。静止画用読み出し部１１２は、２つの静止画用画素、即ちブロックＢＬ内の２行目１列目及び２行目３列目の丸で囲んだ２つの遮光状態のＢ画素の各々から、それぞれの光電変換部３４に保持されていた電荷に基づく画素信号を読み出す。このように、動画像の（Ｎ＋１）フレームでは、動画用読み出し部１１１は、露光されて新たに生成された太枠のＲ画素の画素信号を読み出し、静止画用読み出し部１１２は、静止画用画素に保持されている電荷に応じた画素信号を読み出す。
このように読み出された（Ｎ＋１）フレームの動画用画素の画素信号は、図１の動画像生成部４ａにおいて、動画像データの生成に用いられる。また、読み出された静止画用画素の画素信号は、図１のメモリ５又は制御部４内の不図示のメモリに一時的に記憶される。
図４（ｄ）に示す動画像の（Ｎ＋２）フレームでは、動画用読み出し部１１１は、Ｎフレームと同様にブロックＢＬ内で１行目２列目の太枠で囲んだＲ画素を動画用画素として選択し、その画素信号を読み出す。静止画用読み出し部１１２は、２つの静止画用画素、即ちブロックＢＬ内の３行目１列目及び３行目３列目の丸で囲んだ２つの遮光状態のＧ画素の各々から、それぞれの光電変換部３４に保持されていた電荷に基づく画素信号を読み出す。このように、動画像の（Ｎ＋２）フレームでも、動画用読み出し部１１１は、露光されて新たに生成された太枠のＲ画素の画素信号を読み出し、静止画用読み出し部１１２は、静止画用画素に保持されている電荷に応じた画素信号を読み出す。
このように読み出された（Ｎ＋２）フレームの動画用画素の画素信号は、図１の動画像生成部４ａにおいて、動画像データの生成に用いられる。また、読み出された静止画用画素の画素信号は、図１のメモリ５又は制御部４内の不図示のメモリに一時的に記憶される。
図４（ｅ）に示す動画像の（Ｎ＋３）フレームでは、動画用読み出し部１１１は、Ｎフレームと同様にブロックＢＬ内で１行目２列目の太枠で囲んだＲ画素を動画用画素として選択し、その画素信号を読み出す。静止画用読み出し部１１２は、２つの静止画用画素、即ちブロックＢＬ内の２行目２列目の丸で囲んだ遮光状態のＧ画素と３行目２列目の丸で囲んだ遮光状態のＲ画素の各々から、それぞれの光電変換部３４に保持されていた電荷に基づく画素信号を読み出す。このように、動画像の（Ｎ＋３）フレームでも、動画用読み出し部１１１は、露光されて新たに生成された太枠のＲ画素の画素信号を読み出し、静止画用読み出し部１１２は、静止画用画素に保持されている電荷に応じた画素信号を読み出す。
このように読み出された（Ｎ＋３）フレームの動画用画素の画素信号は、図１の動画像生成部４ａにおいて、動画像データの生成に用いられる。また、読み出された静止画用画素の画素信号は、図１のメモリ５又は制御部４内の不図示のメモリに一時的に記憶される。
Ｎフレーム〜（Ｎ＋３）フレームの間に、静止画用画素の画素信号として読み出され、メモリに一時的に記憶されていた画素信号は、静止画像生成部４ｂによって、静止画像データの生成に用いられる。
このように、撮像素子３は、動画撮影時のＮ〜（Ｎ＋３）フレームのそれぞれにおいて、動画用画素から光電変換された電荷に基づく画素信号を読み出す。また、撮像素子３は、Ｎ〜（Ｎ＋３）の４つのフレームおいて、静止画用画素のうち異なる一部の画素１０から光電変換部３４に保持された電荷に応じた画素信号を読み出す。
撮像素子３の動画像生成部４ａは、動画撮影のフレーム毎に順次出力される動画用の画素信号に基づいて動画像データを生成する。撮像素子３の静止画像生成部４ｂは、複数のフレームに渡って出力される静止画用の画素信号に基づいて静止画像データを生成する。具体的には、静止画像生成部４ｂは、フレーム毎に出力された静止画用の画素信号を合成することにより、全ての画素の画素信号を用いた静止画像データを生成する。
本実施の形態による撮像素子３では、複数フレームに渡って静止画用の画素信号を分けて読み出すことによって、動画撮影と並行して静止画撮影を行うことができる。また、撮像素子３は、フレーム毎に同じ数の画素から画素信号の読み出しを行うため、動画撮影のフレームレートが低下することを防止しつつ、全ての静止画用画素からの画素信号の読み出しを行うことができる。すなわち、時間的な解像度が高い動画像データを生成することができる。また、全画素の画素信号を読み出して静止画像データを生成することができるため、空間的な解像度が高い静止画像データを生成することができる。さらに、撮像素子３は、全画素で同じタイミングに光電変換して生成された電荷に基づく画素信号を用いて、静止画像データを生成することができる。この結果、例えば動く被写体についての静止画の画質を向上させることができる。
また、本実施の形態による撮像素子３は、フィルタ部３５を制御して画素１０を遮光状態にすることにより、光電変換部３４に光電変換により生成された電荷を保持させる。すなわち、光電変換部３４を、信号（電荷）を記憶する記憶部として機能させる。このため、画素毎に別途記憶素子を設ける場合と比較して、撮像素子の面積を低減させることができる。また、別途記憶素子を配置して光電変換部３４の面積が小さくなってしまうことを回避することができる。
なお、４フレームに限らず、もっと少ないフレーム数で、またはもっと多くのフレーム数において、静止画用画素から画素信号を読み出しても良い。また、本実施の形態では、全画素を静止画用画素として選択して全画素から画素信号を読み出したが、例えば撮像素子３の画素数が非常に多い場合には、撮像素子３の一部の画素を静止画用画素として選択して一部の画素から画素信号を読み出しても良い。この場合には、例えば、図４の太枠で囲まれた動画用画素は、動画専用とし、残りを静止画用画素としてもよく、この残りの静止画用画素の全てについて、遮光状態の画素としてもよい。
図５は、第１の実施の形態に係る撮像素子３の信号の読み出し方法の具体例を説明するための図である。図５（ａ）〜（ｅ）では、図４（ａ）〜（ｅ）の場合と同様に、Ｎ−１〜Ｎ＋３フレームまでの動画撮影のフレーム毎に、動画用画素および静止画用画素から画素信号を読み出す例を示している。以下では、図５を参照して、画素信号を読み出す方法の具体例について説明する。
図５に示すように、撮像素子３には、第２方向である列方向、すなわち縦方向に並んだ複数の画素１０の列毎に垂直信号線３０（垂直信号線３０ａ〜垂直信号線３０ｃ）が設けられる。全ての画素１０には、スイッチＳＷ１（図６の符号Ｍ４）が設けられる。また、撮像素子３には、座標（２，２）の画素１０と垂直信号線３０ｃとを接続するスイッチＳＷ２と、座標（３，２）の画素１０と垂直信号線３０ａとを接続するスイッチＳＷ３とが設けられる。動画用画素の画素信号は、動画撮影の各フレームにおいて常に垂直信号線３０ｂ（だけ）を介して読み出される。詳述すると、動画用画素は、全画素のうち行方向および列方向に間引かれた残りの画素である。よって、動画用画素から画素信号が読み出される垂直信号線は、動画用画素が接続される垂直信号線であり、一部の垂直信号線である。
そこで、撮像素子３は、動画撮影の各フレームにおいて、動画用画素の画素信号が出力されない垂直信号線３０ａ、３０ｃを介して静止画用画素の画素信号の読み出しを行う。このため、撮像素子３は、動画用の画素信号の読み出しと、静止画用の画素信号の読み出しとを同時に行うことができる。以下に詳細に説明する。
図５（ａ）に示す（Ｎ−１）フレームにおいて、座標（１，２）の画素１０のスイッチＳＷ１がオン状態となる。座標（１，２）の動画用画素は、画素信号を垂直信号線３０ｂに出力する。他の画素のスイッチＳＷ１、スイッチＳＷ２、およびスイッチＳＷ３は、オフ状態となっている。
図５（ｂ）に示すＮフレームでは、座標（１，１）、（１，２）、（１，３）の各画素のスイッチＳＷ１がオン状態となる。座標（１，２）の動画用画素は、光電変換により生成された電荷に基づく画素信号を垂直信号線３０ｂに出力する。なお、Ｎフレームにおいて読み出された動画用画素の画素信号は、動画用の画素信号および静止画用の画素信号として用いられる。また、座標（１，１）の静止画用画素は、光電変換により生成された電荷に基づく画素信号を垂直信号線３０ａに出力する。さらに、座標（１，３）の静止画用画素は、光電変換により生成された電荷に基づく画素信号を垂直信号線３０ｃに出力する。また、Ｎフレームでは、撮像素子３は、Ｎフレームにおいて読み出し対象ではない画素を遮光状態にする。すなわち、図５に示す領域２４０の画素１０は、遮光状態の画素となり、光電変換により生成された電荷を光電変換部３４に蓄積（保持）する。
図５（ｃ）に示す（Ｎ＋１）フレームでは、座標（１，２）、（２，１）、（２，３）の各画素１０のスイッチＳＷ１がオン状態となる。動画用画素は、光電変換により生成された電荷に基づく画素信号を垂直信号線３０ｂに出力する。座標（２，１）、（２，３）の静止画用画素は、それぞれの光電変換部３４に保持されていた電荷に基づく画素信号を、それぞれ垂直信号線３０ａ、３０ｃに出力する。
図５（ｄ）に示す（Ｎ＋２）フレームでは、座標（１，２）、（３，１）、（３，３）の各画素１０のスイッチＳＷ１がオン状態となる。動画用画素は、光電変換により生成された電荷に基づく画素信号を垂直信号線３０ｂに出力する。座標（３，１）、（３，３）の静止画用画素は、それぞれの光電変換部３４に保持されていた電荷に基づく画素信号を、それぞれ垂直信号線３０ａ、３０ｃに出力する。
図５（ｅ）に示す（Ｎ＋３）フレームでは、座標（１，２）の動画用画素のスイッチＳＷ１がオン状態となることにより、動画用画素は、光電変換により生成された電荷に基づく画素信号を垂直信号線３０ｂに出力する。また、スイッチＳＷ２がオン状態となることにより、座標（２，２）の静止画用画素は、光電変換部３４に保持されていた電荷に基づく画素信号を、垂直信号線３０ｃに出力する。さらに、スイッチＳＷ３がオン状態となることにより、座標（３，２）の静止画用画素は、光電変換部３４に保持されていた電荷に基づく画素信号を、垂直信号線３０ａに出力する。
本実施の形態による撮像素子３は、全画素のうち行方向および列方向の画素を間引いて動画用画素を選択し、動画用画素から画素信号の読み出しを行う。このため、動画用画素から高速に画素信号を読み出すことができる。この結果、撮像素子３は、動画撮影のフレームレートを向上させることができる。また、撮像素子３は、垂直信号線３０ｂを介して動画用の画素信号の読み出しを行い、動画用の画素信号の読み出しには用いない垂直信号線３０ａ、３０ｃを介して静止画用の画素信号の読み出しを行う。このため、Ｎ〜（Ｎ＋３）フレームまでの動画撮影のフレーム毎に、動画用の画素信号の読み出しと静止画用の画素信号の読み出しとを同時に行うことができる。この結果、撮像素子３は、動画撮影中に静止画撮影を行う場合に、動画撮影のフレームレートが低下することを防ぐことができる。
図６〜図８を参照して、第１の実施の形態に係る撮像素子３の回路構成及び動作について説明する。図６は、第１の実施の形態に係る撮像素子３の画素１０の構成を示す回路図である。図７は、第１の実施の形態に係る撮像素子３の一部の構成を示す回路図である。図８は、第１の実施の形態に係る撮像素子３の動作例を示すタイミングチャートである。
図６に示すように、画素１０は、光電変換部３４および読み出し部２０を有する。光電変換部３４は、入射した光を電荷に変換し、光電変換された電荷を蓄積する機能を有する。読み出し部２０は、転送部２５と、リセット部２６と、フローティングディフュージョン２７と、増幅部２８と、選択部２９とを有する。
転送部２５は、信号ＴＸにより制御され、光電変換部３４で光電変換された電荷をフローティングディフュージョン２７に転送する。すなわち、転送部２５は、光電変換部３４およびフローティングディフュージョン２７の間に電荷転送路を形成する。フローティングディフュージョン２７の容量ＦＤは、電荷を蓄積する。増幅部２８は、容量ＦＤに蓄積された電荷による信号を増幅した画素信号を出力する。図６に示す例では、増幅部２８は、ドレイン端子、ゲート端子およびソース端子がそれぞれ、電源ＶＤＤ、フローティングディフュージョン２７および選択部２９に接続されるトランジスタＭ３により構成される。増幅部２８のソース端子は、選択部２９を介して垂直信号線３０に接続される。増幅部２８は、垂直信号線３０に接続される不図示の電流源を負荷電流源としてソースフォロワ回路の一部として機能する。
リセット部２６は、信号ＲＳＴにより制御され、容量ＦＤの電荷をリセットし、フローティングディフュージョン２７の電位をリセット電位（基準電位）にリセットする。選択部２９は、信号ＳＥＬにより制御され、増幅部２８からの画素信号を垂直信号線３０に出力する。転送部２５、リセット部２６、および選択部２９は、例えば、それぞれトランジスタＭ１、トランジスタＭ２、トランジスタＭ４により構成される。トランジスタＭ４は、上述した図５におけるスイッチＳＷ１である。増幅部２８および選択部２９は、光電変換部３４で生成された電荷に基づく信号を出力する出力部を構成する。
図７に示すように、撮像素子３は、上述したように、行列状に配置される複数の画素１０と、垂直信号線３０ａ〜３０ｃとを有する。各画素１０に入力される信号ＴＸ、信号ＲＳＴ、信号ＳＥＬは、画素垂直駆動部７０（図２参照）により供給される。また、スイッチＳＷ２およびスイッチＳＷ３は、画素垂直駆動部７０から制御信号が供給されて、オンオフ制御される。なお、図７に示す例では、説明を簡略化するために、図４および図５の場合と同様に画素１０（１、１）から画素１０（３、３）までの９画素を図示している。
図８に示すタイミングチャートにおいて、横軸は時刻を示している。また、図８において、制御信号がハイレベル（例えば電源電位）の場合に制御信号が入力されるトランジスタまたはスイッチがオン状態となり、制御信号がローレベル（例えば接地電位）の場合に制御信号が入力されるトランジスタまたはスイッチがオフ状態となる。
時刻ｔ１から時刻ｔ２までの期間では、信号ＲＳＴ１〜ＲＳＴ９が順次ハイレベルになることで、画素１０（１、１）〜画素１０（３、３）において、それぞれのリセット部２６のトランジスタＭ２がオンになり、フローティングディフュージョン２７の電位がリセット電位になる。また、時刻ｔ２では、画素１０（１、１）〜画素１０（３、３）の各フィルタ部３５が制御されて、図５（ａ）を用いて説明したように、各フィルタ部３５はベイヤー配列にされる。
時刻ｔ３では、信号ＴＸ１〜ＴＸ３がハイレベルになることで、画素１０（１、１）〜画素１０（１、３）の転送部２５のトランジスタＭ１がオンになる。これにより、時刻ｔ２から時刻ｔ３までの期間にＰＤで光電変換された電荷が、それぞれフローティングディフュージョン２７の容量ＦＤに転送される。また、時刻ｔ３では、信号ＳＥＬ１および信号ＳＥＬ２がハイレベルになるため、画素１０（１、１）〜画素１０（１、３）の画素信号が、増幅部２８および選択部２９により、それぞれ垂直信号線３０ａ〜垂直信号線３０ｃに出力される。さらに、時刻ｔ３では、画素１０（２、１）〜画素１０（３、３）のフィルタ部３５の透過波長を制御して、画素１０（２、１）〜画素１０（３、３）を遮光状態にする。画素１０（２、１）〜画素１０（３、３）のＰＤは、光電変換により生成された電荷を蓄積（保持）する。
時刻ｔ４では、信号ＴＸ２、ＴＸ４、ＴＸ６がハイレベルになることで、画素１０（１、２）、画素１０（２、１）、画素１０（２、３）の転送部２５のトランジスタＭ１がオンになる。これにより、画素１０（１、２）においては、新たに光電変換された電荷が、フローティングディフュージョン２７の容量ＦＤに転送される。また、画素１０（２、１）および画素１０（２、３）においては、ＰＤに保持された電荷が、それぞれフローティングディフュージョン２７の容量ＦＤに転送される。また、時刻ｔ４では、信号ＳＥＬ２がハイレベルになるため、画素１０（１、２）の画素信号が、垂直信号線３０ｂに出力される。さらに、時刻ｔ４では、信号ＳＥＬ３がハイレベルになるため、画素１０（２、１）の画素信号が垂直信号線３０ａに出力され、画素１０（２、３）の画素信号が垂直信号線３０ｃに出力される。
時刻ｔ５では、信号ＴＸ２、ＴＸ７、ＴＸ９がハイレベルになることで、画素１０（１、２）、画素１０（３、１）、画素１０（３、３）の転送部２５のトランジスタＭ１がオンになる。これにより、画素１０（１、２）においては、新たに光電変換された電荷が、フローティングディフュージョン２７の容量ＦＤに転送される。また、画素１０（３、１）および画素１０（３、３）においては、ＰＤに保持された電荷が、それぞれフローティングディフュージョン２７の容量ＦＤに転送される。また、時刻ｔ５では、信号ＳＥＬ２がハイレベルになるため、画素１０（１、２）の画素信号が、垂直信号線３０ｂに出力される。さらに、時刻ｔ５では、信号ＳＥＬ６がハイレベルになるため、画素１０（３、１）の画素信号が垂直信号線３０ａに出力され、画素１０（３、３）の画素信号が垂直信号線３０ｃに出力される。
時刻ｔ６では、信号ＴＸ２、ＴＸ５、ＴＸ８がハイレベルになることで、画素１０（１、２）、画素１０（２、２）、画素１０（３、２）の転送部２５のトランジスタＭ１がオンになる。これにより、画素１０（１、２）においては、新たに光電変換された電荷が、フローティングディフュージョン２７の容量ＦＤに転送される。また、画素１０（２、２）および画素１０（３、２）においては、ＰＤに保持された電荷が、それぞれフローティングディフュージョン２７の容量ＦＤに転送される。また、時刻ｔ６では、信号ＳＥＬ２がハイレベルになるため、画素１０（１、２）の画素信号が、垂直信号線３０ｂに出力される。さらに、時刻ｔ６では、信号ＳＥＬ５がハイレベルになるため、画素１０（２、２）の画素信号がスイッチＳＷ２を介して垂直信号線３０ｃに出力される。また、時刻ｔ６では、信号ＳＥＬ８がハイレベルになるため、画素１０（３、２）の画素信号がスイッチＳＷ３を介して垂直信号線３０ａに出力される。
各フレームにおいて垂直信号線３０ａ〜３０ｃに出力される画素信号は、図２に示すカラム回路部８０、水平走査部９０、および出力部１００を介して、電子カメラ１の制御部４に出力される。制御部４の動画像生成部４ａは、フレーム毎に順次出力される動画用の画素信号に基づいて動画像データを生成する。また、制御部４の静止画像生成部４ｂは、複数のフレームに渡って出力される静止画用の画素信号に基づいて静止画像データを生成する。
上述した実施の形態によれば、次の作用効果が得られる。
（１）撮像素子３は、入射光を光電変換して電荷を生成し蓄積する光電変換部３４を有し光電変換部３４で生成された電荷に基づく信号を出力する第１画素と、入射光を遮光する遮光状態と入射光を透過させる透過状態とを切換えるフィルタ部３５と、フィルタ部３５を透過した光を光電変換して電荷を生成し蓄積する光電変換部３４とを有し光電変換部３４で生成された電荷に基づく信号を出力する第２画素と、第２画素のフィルタ部３５を透過状態にして第１画素と第２画素に入射した光を光電変換する第１の露光制御と、第２画素のフィルタ部３５を遮光状態にして第２画素の光電変換部３４に蓄積されていた電荷を保持させて第１画素に入射した光を光電変換する第２の露光制御とを切換える露光制御部（フィルタ制御部６０）と、第１の露光制御を行い第１画素と第２画素の一部とから信号を出力した後、第２の露光制御を行い第１画素と一部の第２画素を除く第２画素とから信号を出力する出力制御部（システム制御部１１０）と、を備える。このようにしたので、動画撮影のフレームレートが低下することを防止しつつ、全ての静止画用画素からの画素信号の読み出しを行うことができる。
（２）電子カメラ１は、入射光を光電変換して電荷を生成し蓄積する光電変換部３４を有し光電変換部３４で生成された電荷に基づく信号を出力する第１画素と、入射光を遮光する遮光状態と入射光を透過させる透過状態とを切換えるフィルタ部３５と、フィルタ部３５を透過した光を光電変換して電荷を生成し蓄積する光電変換部３４とを有し光電変換部３４で生成された電荷に基づく信号を出力する第２画素と、第２画素のフィルタ部３５を透過状態にして第１画素と第２画素に入射した光を光電変換する第１の露光制御と、第２画素のフィルタ部３５を遮光状態にして第２画素の光電変換部３４に蓄積されていた電荷を保持させて第１画素に入射した光を光電変換する第２の露光制御とを切換える露光制御部（制御部４）と、第１の露光制御を行い第１画素と第２画素の一部とから信号を出力した後、第２の露光制御を行い第１画素と一部の第２画素を除く第２画素とから信号を出力する出力制御部（制御部４）と、を備える。このようにしたので、動画撮影のフレームレートが低下することを防止しつつ、全ての静止画用画素からの画素信号の読み出しを行うことができる。
（３）本実施の形態では、同じタイミングに光電変換して生成された電荷に基づく静止画用の画素信号を、複数フレームに分けて読み出す。このため、同じタイミングに光電変換して生成された電荷に基づく画素信号を用いて、静止画像データを生成することができる。この結果、例えば動く被写体についての静止画の画質を向上させることができる。
（４）本実施の形態では、フィルタ部３５を制御して画素１０を遮光状態にすることにより、光電変換部３４に光電変換により生成された電荷を保持させる。このため、画素毎に別途記憶素子を設ける場合と比較して、撮像素子の面積を低減させることができる。また、別途記憶素子を配置して光電変換部３４の面積が小さくなってしまうことを回避することができる。
次のような変形も本発明の範囲内であり、変形例の一つ、もしくは複数を上述の実施形態と組み合わせることも可能である。
（変形例１）
図９は、変形例１に係る撮像素子の一部の構成を示す回路図である。変形例１による撮像素子３は、２つの画素１０で読み出し部２０を共有する構成となる。画素１０（１，１）〜画素１０（６，３）は、それぞれＰＤを含んで構成される。図９において、画素１０（１，２）および画素１０（４，２）は、それぞれ動画用読み出し部１１１によって選択された動画用画素である。以下では、画素信号を読み出す方法の一例について説明する。
Ｎフレームでは、撮像素子３は、画素（１，１）、（１，２）、（１，３）の画素信号を、それぞれ垂直信号線３０ａ〜３０ｃに読み出す。これらの画素信号が読み出された後、撮像素子３は、画素（４，１）、（４，２）、（４，３）の画素信号を、それぞれ垂直信号線３０ａ〜３０ｃに読み出す。また、Ｎフレームでは、撮像素子３は、Ｎフレームにおいて読み出し対象ではない画素を遮光状態にして、光電変換により生成された電荷をそれぞれの画素の光電変換部３４に蓄積（保持）させる。
（Ｎ＋１）フレームでは、撮像素子３は、画素（２，１）、（１，２）、（２，３）の画素信号を、それぞれ垂直信号線３０ａ〜３０ｃに読み出す。また、これらの画素信号が読み出された後、撮像素子３は、画素（５，１）、（４，２）、（５，３）の画素信号を、それぞれ垂直信号線３０ａ〜３０ｃに読み出す。（Ｎ＋２）フレームでは、撮像素子３は、画素（３，１）、（１，２）、（３，３）の画素信号を、それぞれ垂直信号線３０ａ〜３０ｃに読み出す。また、これらの画素信号が読み出された後、撮像素子３は、画素（６，１）、（４，２）、（６，３）の画素信号を、それぞれ垂直信号線３０ａ〜３０ｃに読み出す。
（Ｎ＋３）フレームでは、撮像素子３は、画素（１，２）の画素信号を垂直信号線３０ｂに読み出し、画素（３，２）の画素信号をスイッチＳＷ１３を介して垂直信号線３０ａに読み出し、画素（６，２）の画素信号をスイッチＳＷ１６を介して垂直信号線３０ｃに読み出す。画素（１，２）、（３，２）、（６，２）の画素信号が読み出された後、撮像素子３は、画素（４，２）の画素信号を垂直信号線３０ｂに読み出し、画素（２，２）の画素信号を、スイッチＳＷ１１を介して垂直信号線３０ａに読み出し、画素（５，２）の画素信号を、スイッチＳＷ１６を介して垂直信号線３０ｃに読み出す。
このように、変形例１では、垂直信号線間に接続されるスイッチＳＷ１１〜ＳＷ１６を用いて画素信号の読み出しを行うことにより、動画撮影のフレームレートが低下することを防止しつつ、全ての静止画用画素からの画素信号の読み出しを行うことができる。また、変形例１による撮像素子は、２つの画素１０で読み出し部２０を共有する構成であるため、撮像素子のチップ面積を低減させることができる。なお、２つの画素に限らず、もっと多くの画素で、１つの読み出し部２０を共有する構成としても良い。例えば、図１０に示すように、４つの画素１０で１つの読み出し部２０を共有する構成としても良い。
（変形例２）
上述した実施の形態および変形例では、画素１０を遮光状態にして光電変換部３４を、信号（電荷）を記憶する記憶部として機能させる例について説明した。しかし、図１１に示すように、画素１０ごとに容量Ｃを設けて、この容量Ｃを記憶部として用いるようにしてもよい。例えば、撮像素子は、各画素１０の光電変換部３４により生成された電荷を、同じタイミングで第１の転送部２５を介して容量Ｃへ転送して、容量Ｃに電荷を蓄積（保持）させる。各画素１０から画素信号を読み出す場合は、撮像素子は、容量Ｃに蓄積された電荷を、第２の転送部１０５を介してフローティングディフュージョン２７に転送させる。そして、撮像素子は、信号ＳＥＬをハイレベルにさせて、画素１０の画素信号を、増幅部２８および選択部２９を介して垂直信号線３０に出力させる。
（変形例３）
上述した実施の形態および変形例では、ローレベルおよびハイレベルの２つの値により駆動制御されるトランジスタを用いて画素１０を構成する例について説明した。しかし、３つの値により駆動制御されるトランジスタを用いて画素１０を構成するようにしてもよい。
（変形例４）
上述した実施の形態および変形例では、フィルタ部３５は、Ｒ（赤）を発色するＥＣ層、Ｇ（緑）を発色するＥＣ層、およびＢ（青）を発色するＥＣ層の３つのフィルタにより構成される例について説明した。しかし、フィルタ部３５は、Ｍｇ（マゼンタ）を発色するＥＣ層、Ｙｅ（イエロー）を発色するＥＣ層、およびＣｙ（シアン）を発色するＥＣ層の３つのフィルタにより構成するようにしてもよい。また、フィルタ部３５には液晶を用いた可変フィルタを用いるようにしてもよい。なお、フィルタ部３５には可変フィルタではなく、ＭＥＭＳシャッターのような遮光部材を用いるようにしてもよい。
なお、フィルタ部３５は、第１の波長を透過するフィルタと、第１の波長より長い第２の波長を透過するフィルタと、第２の波長より長い第３の波長を透過するフィルタとを有するカラーフィルタと、光を透過する透過状態と光を遮光する遮光状態とを切り替え可能なフィルタとを組み合わせたものを用いてもよい。例えば、フィルタ部３５には、互いに異なる波長領域の光を透過するカラーフィルタ（ＲＧＢまたはＭｇＹｅＣｙのカラーフィルタ）と透過状態または遮光状態に変更可能な可変フィルタ（液晶フィルタまたはＭＥＭＳシャッター）とを組み合わせたものを用いてもよい。また、フィルタ部３５には、上述したような透過波長域を変更可能な色可変フィルタと透過状態または遮光状態に変更可能な可変フィルタとを組み合わせたものを用いてもよい。
（変形例５）
上述した実施の形態および変形例において、フィルタ部３５の「遮光状態」とは、入射光が完全に遮光される状態であることに限られない。各フィルタ部３５から僅かな漏れ光がある構成であっても本発明の範疇に含まれる。その場合は、黒レベルを補正する周知の技術を用いることによって、画素信号を補正すればよい。
（変形例６）
上述した実施の形態および変形例では、各画素１０のフィルタ部３５を制御して、Ｒ画素とＧ画素とＢ画素とをベイヤー配列に従って配置させる例について説明した。しかし、各画素１０のフィルタ部３５を制御して、Ｗ（白）のフィルタ部３５を有するＷ画素と、ＢＫ（黒）のフィルタ部３５を有するＢＫ画素とを配置してもよい。この場合、制御部４は、撮像素子３から出力される画素信号に基づいて、モノクロ画像データを生成することができる。
（変形例７）
上述した実施の形態および変形例では、光電変換部としてフォトダイオードを用いる例について説明した。しかし、光電変換部として光電変換膜（有機光電膜）を用いるようにしてもよい。
（変形例８）
上述の実施の形態および変形例で説明した撮像素子３は、カメラ、スマートフォン、タブレット、ＰＣに内臓のカメラ、車載カメラ、無人航空機（ドローン、ラジコン機等）に搭載されるカメラ等に適用されてもよい。
上記では、種々の実施の形態および変形例を説明したが、本発明はこれらの内容に限定されるものではない。本発明の技術的思想の範囲内で考えられるその他の態様も本発明の範囲内に含まれる。
次の優先権基礎出願の開示内容は引用文としてここに組み込まれる。
日本国特許出願２０１６年第１９２２５１号（２０１６年９月２９日出願）
３ 撮像素子、１０ 画素、４ａ 動画像生成部、４ｂ 静止画像生成部、３５ フィルタ部、６０ フィルタ制御部、１１０ システム制御部

Claims (23)

  1. 入射した光を光電変換して電荷を生成する光電変換部を有し、前記光電変換部で生成された電荷に基づく信号を出力する第１画素と、
    光を遮光する遮光状態と光を透過する透過状態とを切換可能なフィルタ部と、前記フィルタ部を透過した光を光電変換して電荷を生成する光電変換部とを有し、前記光電変換部で生成された電荷に基づく信号を出力する第２画素と、
    前記第２画素のフィルタ部を透過状態にして前記第１画素と前記第２画素に入射した光を光電変換する第１の露光制御と、前記第２画素のフィルタ部を遮光状態にして前記第２画素の光電変換部に蓄積されていた電荷を保持させて前記第１画素に入射した光を光電変換する第２の露光制御とを切換える露光制御部と、
    前記第１の露光制御を行い前記第１画素と前記第２画素の一部とから前記信号を出力した後、前記第２の露光制御を行い前記第１画素と前記一部の第２画素を除く前記第２画素とから前記信号を出力する出力制御部と、
    を備える撮像素子。
  2. 請求項１に記載の撮像素子において、
    前記第１の露光制御を行い前記第１画素及び前記第２画素の一部から出力される前記信号の数と、前記第２の露光制御を行い前記第１画素及び前記一部の第２画素を除く前記第２画素から出力される前記信号の数とは、同数となる撮像素子。
  3. 請求項１または請求項２に記載の撮像素子において、
    前記出力制御部は、前記第１画素及び前記第２画素の一部から前記信号を出力する動作に関連して、前記第２の露光制御を行う撮像素子。
  4. 請求項１から請求項３までのいずれか一項に記載の撮像素子と、
    前記第１画素の信号に基づいて動画像を生成し、前記第１画素の信号と前記第２画素の信号とに基づいて静止画像を生成する画像生成部と、
    を備えるカメラ。
  5. 入射光を光電変換して電荷を生成し蓄積する光電変換部を有し前記光電変換部で生成された電荷に基づく信号を出力する第１画素と、
    入射光を遮光する遮光状態と前記入射光を透過させる透過状態とを切換えるフィルタ部と、前記フィルタ部を透過した光を光電変換して電荷を生成し蓄積する光電変換部とを有し前記光電変換部で生成された電荷に基づく信号を出力する第２画素と、
    前記第２画素のフィルタ部を透過状態にして前記第１画素と前記第２画素に入射した光を光電変換する第１の露光制御と、前記第２画素のフィルタ部を遮光状態にして前記第２画素の光電変換部に蓄積されていた電荷を保持させて前記第１画素に入射した光を光電変換する第２の露光制御とを切換える露光制御部と、
    前記第１の露光制御を行い前記第１画素と前記第２画素の一部とから前記信号を出力した後、前記第２の露光制御を行い前記第１画素と前記一部の第２画素を除く前記第２画素とから前記信号を出力する出力制御部と、
    を備えるカメラ。
  6. 請求項４または請求項５に記載のカメラにおいて、
    前記出力制御部は、動画像の第１のフレームにおいて、前記第１の露光制御を行い、前記第１のフレームに続く前記動画像の第２のフレームにおいて、前記第２の露光制御を行い前記第２画素の前記光電変換部に保持された前記第１のフレームにおいて光電変換された電荷に基づく信号を前記第２画素から出力するカメラ。
  7. 光電変換部を有する複数の画素と、
    前記複数の画素のうちの一部の画素の信号を動画用信号として読み出す第１の読み出し部と、
    前記第１の読み出し部による複数回の動画用信号の読み出し動作のうちの一つの読み出し動作に関連して複数の画素の信号を記憶する記憶部と、
    前記記憶部に記憶された前記信号を静止画用信号として読み出す第２の読み出し部と、を備える撮像素子。
  8. 請求項７に記載の撮像素子において、
    前記第２の読み出し部は、前記記憶部に記憶された複数の前記信号を、前記第１の読み出し部による複数の読み出し動作毎に複数回に分けて読み出す撮像素子。
  9. 請求項８に記載の撮像素子において、
    前記第２の読み出し部は、前記複数回の各々において同数の信号を読み出す撮像素子。
  10. 請求項７から請求項９までのいずれか一項に記載の撮像素子において、
    前記画素は、マイクロレンズと、前記マイクロレンズを透過した透過光束のうち第１の波長域の光束を透過する状態と前記透過光束を遮光する遮光状態とを少なくとも取り得る可変フィルタ部とを有し、
    前記第１の読み出し部によって前記信号が読み出される前記一部の画素を除く複数の画素の前記可変フィルタ部は、前記第１の読み出し部による複数回の動画用信号の読み出し動作のうちの一つの読み出し動作に関連して、前記遮光状態になる撮像素子。
  11. 請求項１０に記載の撮像素子において、
    前記記憶部は、前記可変フィルタ部が前記遮光状態になったときの前記光電変換部である撮像素子。
  12. 請求項７から請求項９までのいずれか一項に記載の撮像素子において、
    前記記憶部は、前記光電変換部からの電荷を記憶する容量である撮像素子。
  13. 請求項７から請求項１２までのいずれか一項に記載の撮像素子と、
    前記第２の読み出し部によって前記複数回に分けて読み出された複数の信号に基づき、一つの静止画像を生成する静止画像生成部と、を備えるカメラ。
  14. 光を遮光する遮光状態と光を透過する透過状態とを切換可能なフィルタ部と、前記フィルタ部を透過した光を光電変換して電荷を生成する光電変換部と、前記光電変換部で生成された電荷に基づく信号を出力する出力部とを有する複数の画素と、
    複数のうち一部の前記画素の前記出力部から信号を出力させた後、前記一部を除く前記画素の前記フィルタ部を遮光状態にして前記出力部から信号を出力させる制御部と、を備える撮像素子。
  15. 請求項１４に記載の撮像素子において、
    前記制御部は、前記一部を除く前記画素の前記フィルタ部を遮光状態にして、前記フィルタ部が透過状態である間に前記光電変換部で生成された電荷に基づく信号を、前記一部を除く前記画素の前記出力部から出力させる撮像素子。
  16. 請求項１４または請求項１５に記載の撮像素子において、
    複数の前記画素は、前記フィルタ部が透過状態である間に前記光電変換部で電荷を生成し、
    前記制御部は、前記一部の前記画素の前記出力部から信号を出力させた後、前記一部を除く前記画素の前記フィルタ部を遮光状態にして、前記フィルタ部が透過状態である間に前記光電変換部で生成された電荷に基づく信号を、前記一部を除く前記画素の前記出力部から出力させる撮像素子。
  17. 請求項１４から請求項１６までのいずれか一項に記載の撮像素子において、
    前記一部の前記画素は、前記一部を除く前記画素の前記出力部から信号が出力されている間に前記光電変換部で電荷を生成する撮像素子。
  18. 請求項１４から請求項１７までのいずれか一項に記載の撮像素子と、
    前記一部の前記画素の前記出力部から出力された信号に基づいて動画像データを生成し、前記一部を除く前記画素の前記出力部から出力された信号に基づいて静止画像データを生成する生成部と、を備えるカメラ。
  19. 光を光電変換して電荷を生成する光電変換部と、前記光電変換部で生成された電荷に基づく信号を出力部する第１画素と、
    光を遮光する遮光状態と光を透過する透過状態とを切換可能なフィルタ部と、前記フィルタ部を透過した光を光電変換して電荷を生成する光電変換部と、前記光電変換部で生成された電荷に基づく信号を出力する出力部とを有する第２画素と、
    前記第１画素の前記出力部から信号を出力させた後、前記第２画素の前記フィルタ部を遮光状態にして前記第２画素の前記出力部から信号を出力させる制御部と、を備える撮像素子。
  20. 請求項１９に記載の撮像素子において、
    前記制御部は、前記第２画素の前記フィルタ部を遮光状態にして、前記フィルタ部が透過状態である間に前記光電変換部で生成された電荷に基づく信号を、前記第２画素の前記出力部から出力させる撮像素子。
  21. 請求項１９または請求項２０に記載の撮像素子において、
    前記第２画素は、前記フィルタ部が透過状態である間に前記光電変換部で電荷を生成し、
    前記制御部は、前記第１画素の前記出力部から信号を出力させた後、前記第２画素の前記フィルタ部を遮光状態にして、前記フィルタ部が透過状態である間に前記第２画素の前記光電変換部で生成された電荷に基づく信号を、前記第２画素の前記出力部から出力させる撮像素子。
  22. 請求項１９から請求項２１までのいずれか一項に記載の撮像素子において、
    前記第１画素は、前記第２画素の前記出力部から信号が出力されている間に前記光電変換部で電荷を生成する撮像素子。
  23. 請求項１９から請求項２２までのいずれか一項に記載の撮像素子と、
    前記第１画素の前記出力部から出力された信号に基づいて動画像データを生成し、前記第２画素の前記出力部から出力された信号に基づいて静止画像データを生成する生成部と、を備えるカメラ。
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