(57)【要約】【課題】  従来、ランダム性のノイズや１／ｆノイズなどによる画質劣化が問題であった。【解決手段】  本発明に係る撮像装置は、光学系を介して入射する光を電気信号に変換する光電変換部を有する二次元マトリクス状に配置された複数の画素と、前記二次元マトリクス状に配置された各画素の電気信号を複数経路で読み出す読出手段と、前記読出手段が同一画素から前記複数経路を介して読み出した複数の電気信号に対して演算処理を行う演算手段と、前記演算手段が演算処理した電気信号を当該画素の画像信号として記憶媒体に保存する制御手段とを具備することを特徴とする。【選択図】    図２
2010252267.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光学系を介して入射する光を電気信号に変換する光電変換部を有する二次元マトリクス状に配置された複数の画素と、
前記二次元マトリクス状に配置された各画素の電気信号を複数経路で読み出す読出手段と、
前記読出手段が同一画素から前記複数経路を介して読み出した複数の電気信号に対して演算処理を行う演算手段と、
前記演算手段が演算処理した電気信号を当該画素の画像信号として記憶媒体に保存する制御手段と
を具備することを特徴とする撮像装置。
【請求項２】
請求項１記載の撮像装置において、
前記複数経路と前記演算処理手段との間に、同一画素から前記複数経路を介して読み出した複数の電気信号を異なるタイミングでサンプリングした複数の電気信号を保持する保持手段を更に設け、
前記演算手段は、前記保持手段が保持する複数の電気信号に対して演算処理を行うことを特徴とする撮像装置。
【請求項３】
請求項１または２に記載の撮像装置において、
前記演算手段は、前記複数の電気信号の平均値を求める演算処理を行うことを特徴とする撮像装置。
【請求項４】
請求項１から３のいずれか一項に記載の撮像装置において、
前記読出手段は、同一画素から前記複数経路を介して電気信号を読み出す際に、前記光電変換部に入射光が無い時のダーク信号と入射光が有る時の画像信号とを別々に読み出し、
前記保持手段は、前記読出手段が読み出した前記ダーク信号と前記画像信号のそれぞれに対して異なる複数のタイミングでサンプリングした複数のダーク信号および複数の画像信号をそれぞれ保持し、
前記演算手段は、前記保持手段が保持する複数のダーク信号および複数の画像信号を同一画素単位でそれぞれ平均化した後、平均化後の画像信号から平均化後のダーク信号を減算する
ことを特徴とする撮像装置。
【請求項５】
請求項１から３のいずれか一項に記載の撮像装置において、
前記読出手段は、同一画素から前記複数経路を介して電気信号を読み出す際に、前記光電変換部に入射光が無い時のダーク信号と入射光が有る時の画像信号とを別々に読み出し、
前記保持手段は、前記読出手段が読み出した前記ダーク信号と前記画像信号のそれぞれに対して異なる複数のタイミングでサンプリングした複数のダーク信号および複数の画像信号をそれぞれ保持し、
前記演算手段は、前記保持手段が保持する複数のダーク信号および複数の画像信号を同一画素単位で画像信号からダーク信号を減算した後、減算後の同一画素の複数の信号を平均化する
ことを特徴とする撮像装置。
【請求項６】
光学系を介して入射する光を電気信号に変換する光電変換部を有する二次元マトリクス状に配置された複数の画素と、
前記二次元マトリクス状に配置された各画素の電気信号を複数経路で同時に読み出す読出手段と、
前記読出手段が複数経路で同時に読み出す画素を同一画素とする第１モードと、前記読出手段が複数経路で同時に読み出す画素を異なる画素とする第２モードとを選択する読出モード選択手段と、
前記読出モード選択手段で前記第１モードが選択された場合に、前記読出手段が同一画素から前記複数経路を介して読み出した複数の電気信号に対して演算処理を行う演算手段と、
前記読出モード選択手段で前記第１モードが選択された場合は前記演算手段が演算処理した電気信号を当該画素の画像信号として記憶媒体に保存し、前記読出モード選択手段で前記第２モードが選択された場合は前記読出手段が異なる画素から読み出した電気信号をそれぞれの画素の画像信号として記憶媒体に保存する制御手段と
を具備することを特徴とする撮像装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、撮像装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、固体撮像素子を用いたビデオカメラや電子カメラなどの撮像装置が広く普及している。一般的な固体撮像素子は、レンズ光学系を介して入射する光を電気信号に変換する光電変換部を有する複数の画素が二次元アレイ状に配置され、各画素が出力する電気信号を垂直方向に読み出すための垂直信号線とカラムアンプおよび読み出した１行分の画素信号を水平方向に転送して出力する水平出力回路などで構成されている（例えば、特許文献１参照）。このような固体撮像素子を用いた電子カメラでは、レリーズボタンが押下されると、固体撮像素子から読み出したアナログの画像信号をＡ／Ｄ変換した後、必要な画像処理を施して記憶媒体などに保存するようになっている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００７−１７４４７８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところが、各画素から電気信号を読み出す際に各列のカラムアンプなどで発生するランダム性のノイズや、各画素の増幅トランジスタなどで発生する１／ｆノイズなどが問題となる。これらのノイズは、撮像装置で撮像される画像の品質に影響を及ぼし、特に画像の暗い部分での画質劣化（暗部ノイズ）が問題となる。
【０００５】
上記課題に鑑み、本発明の目的は、ノイズを低減することができる撮像装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明に係る撮像装置は、光学系を介して入射する光を電気信号に変換する光電変換部を有し、二次元マトリクス状に配置された複数の画素と、前記二次元マトリクス状に配置された各画素から電気信号を複数経路で読み出す読出手段と、前記読出手段が同一画素から前記複数経路を介して読み出した複数の電気信号に対して演算処理を行う演算手段と、前記演算手段が演算処理した電気信号を当該画素の画像信号として記憶媒体に保存する制御手段とを具備することを特徴とする。
【０００７】
また、好ましくは、前記複数経路と前記演算処理手段との間に、同一画素から前記複数経路を介して読み出した複数の電気信号をそれぞれ異なるタイミングでサンプリングした複数の電気信号を保持する保持手段を更に設け、前記演算手段は、前記保持手段が保持する複数の電気信号に対して演算処理を行うことを特徴とする。
【０００８】
また、好ましくは、前記演算手段は、前記複数の電気信号の平均値を求める演算処理を行うことを特徴とする。
【０００９】
また、好ましくは、前記読出手段は、同一画素から前記複数経路を介して電気信号を読み出す際に、前記光電変換部に入射光が無い時のダーク信号と入射光が有る時の画像信号とを別々に読み出し、前記保持手段は、前記読出手段が読み出した前記ダーク信号と前記画像信号のそれぞれに対して異なる複数のタイミングでサンプリングした複数のダーク信号および複数の画像信号をそれぞれ保持し、前記演算手段は、前記保持手段が保持する複数のダーク信号および複数の画像信号を同一画素単位でそれぞれ平均化し、平均化後の画像信号から平均化後のダーク信号を減算することを特徴とする。
【００１０】
また、好ましくは、前記読出手段は、同一画素から前記複数経路を介して電気信号を読み出す際に、前記光電変換部に入射光が無い時のダーク信号と入射光が有る時の画像信号とを別々に読み出し、前記保持手段は、前記読出手段が読み出した前記ダーク信号と前記画像信号のそれぞれに対して異なる複数のタイミングでサンプリングした複数のダーク信号および複数の画像信号をそれぞれ保持し、前記演算手段は、前記保持手段が保持する複数のダーク信号および複数の画像信号を同一画素単位で画像信号からダーク信号を減算し、減算後の同一画素の複数の信号を平均化することを特徴とする。
【００１１】
本発明に係る撮像装置は、光学系を介して入射する光を電気信号に変換する光電変換部を有し、二次元マトリクス状に配置された複数の画素と、前記二次元マトリクス状に配置された各画素から電気信号を複数経路で同時に読み出す読出手段と、前記読出手段が複数経路で同時に読み出す画素を同一画素とする第１モードと、前記読出手段が複数経路で同時に読み出す画素を異なる画素とする第２モードとを選択する読出モード選択手段と、前記読出モード選択手段で前記第１モードが選択された場合に、前記読出手段が同一画素から前記複数経路を介して読み出した複数の電気信号に対して演算処理を行う演算手段と、前記読出モード選択手段で前記第１モードが選択された場合は前記演算手段が演算処理した電気信号を当該画素の画像信号として記憶媒体に保存し、前記読出モード選択手段で前記第２モードが選択された場合は前記読出手段が異なる画素から読み出した電気信号をそれぞれの画素の画像信号として記憶媒体に保存する制御手段とを具備することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
本発明に係る撮像装置は、ノイズを低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】撮像装置１０１のブロック図である。
【図２】撮像素子１０３周辺の回路構成図である。
【図３】画素の回路構成図である。
【図４】第１の水平出力回路１５２の回路構成図である。
【図５】出力回路１６４の回路構成図である。
【図６】第１の実施形態のタイミングチャートである。
【図７】ノイズ低減効果を説明するための説明図である。
【図８】第１の実施形態の変形例のタイミングチャートである。
【図９】異なるサンプリングによるノイズ低減効果を説明するための説明図である。
【図１０】第２の実施形態の「高画質撮影モード」における撮像素子１０３周辺の回路構成図である。
【図１１】第２の実施形態の動作モードを説明する説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
（第１の実施形態）
以下、本発明に係る撮像装置の第１の実施形態について、図面を用いて詳しく説明する。図１は第１の実施形態に係る撮像装置１０１の構成を示すブロック図である。図１において、撮像装置１０１は、レンズ光学系１０２と、撮像素子１０３と、ＡＦＥ（アナログフロントエンド）１０４と、画像バッファ１０５と、画像処理部１０６と、制御部１０７と、メモリカード１０８と、表示部１０９と、操作部材１１０とで構成される。
【００１５】
図１において、レンズ光学系１０２を介して入射される被写体光は撮像素子１０３に結像される。撮像素子１０３は、二次元マトリクス状に配置された複数の画素で構成され、各画素に設けられた光電変換部において、入射した光量に応じた電気信号に変換してＡＦＥ１０４に出力する。ＡＦＥ１０４は、ノイズ除去などを行ってＡ／Ｄ変換し、Ａ／Ｄ変換されたデジタルデータは１画面分の画像データとして画像バッファ１０５に一時的に取り込まれる。画像バッファ１０５に取り込まれた画像データは、画像処理部１０６で色補間処理やホワイトバランス処理などが行われ、制御部１０７を介して表示部１０９に表示されると共にメモリカード１０８に撮影画像データとして記憶される。操作部材１１０は、撮像装置１０１の電源ボタン，レリーズボタン，撮影モード選択ボタンなどで構成され、これらの操作ボタン類は撮影者によって操作される。
【００１６】
次に、本実施形態の特徴となる撮像素子１０３とＡＦＥ１０４とで構成されるブロックについて図２を用いて詳しく説明する。図２において、撮像素子１０３は、複数の画素と、第１の水平出力回路１５２と、第２の水平出力回路１５３と、垂直駆動回路１５４と、定電流供給回路１５５および１５６と、定電流源１５７および１５８と、垂直信号線１５９と、転送信号線１６０と、リセット信号線１６１と、選択信号線１６２と、タイミング回路１６３とで構成され、出力回路１６４はＡＦＥ１０４に対応する。尚、図２において、タイミング回路１６３は、撮像素子１０３とは別ブロックで構成して図１の制御部１０７と撮像素子１０３との間に配置しても構わないし、制御部１０７に含めても構わない。また、後で詳しく説明するが、出力回路１６４の一部の機能を撮像素子１０３に含めても構わないし、出力回路１６４の回路を全て撮像素子１０３に含めても構わない。
【００１７】
ここで、画素１５１は、撮像素子１０３を構成する二次元マトリクス状に配置された複数画素の中の青色（Ｂ）画素の１つを示し、画素１５１と同様に緑色（Ｇ）画素や赤色（Ｒ）画素がベイヤー配列で配置されている。例えば図２に示した６行６列の撮像素子１０３では、１行１列目をＧ画素，１行２列目をＢ画素，２行１列目をＲ画素および２行２列目をＧ画素とした組み合わせで、列方向および行方向に繰り返されている。すなわち、各列は「Ｇ，Ｒ，Ｇ，Ｒ」の配列、或いは「Ｂ，Ｇ，Ｂ，Ｇ」のいずれかの配列を有している。尚、図２では、分かり易いように６行６列の複数画素からなる撮像素子１０３として描いたが、実際の撮像素子は数百万画素を有する。
【００１８】
次に、定電流供給回路１５５は、各列の垂直信号線１５９に定電流用のトランジスタＴi１１，Ｔi２１，Ｔi３１，Ｔi４１，Ｔi５１およびＴi６１がそれぞれ設けられ、トランジスタＴib１とカレントミラー回路を構成している。定電流供給回路１５６も同様に、各列の垂直信号線１５９に定電流用のトランジスタＴi１２，Ｔi２２，Ｔi３２，Ｔi４２，Ｔi５２およびＴi６２がそれぞれ設けられ、トランジスタＴib２とカレントミラー回路を構成している。撮像素子１０３の各画素の信号は、これらの定電流供給回路によってソースフォロワ回路を構成する各列の垂直信号線１５９に読み出される。各列の垂直信号線１５９は、紙面上側から定電流供給回路１５５によって定電流が供給される。そして、紙面下側から定電流供給回路１５６によって定電流が供給され、定電流供給回路１５５の定電流源１５７が供給する電流と、定電流供給回路１５６の定電流源１５８が供給する電流とが合成されて、各列の垂直信号線１５９に必要な定電流を供給するようになっている。
【００１９】
タイミング回路１６３は、撮像素子１０３の各部にタイミング信号を供給する回路で、発生するタイミング信号は、リセット信号ＣＡrstと、第１の水平出力回路１５２側に読み出す光信号のサンプルホールド信号ＳＨsig１と、第１の水平出力回路１５２側に読み出すダーク信号のサンプルホールド信号ＳＨdk１と、第２の水平出力回路１５３側に読み出す光信号のサンプルホールド信号ＳＨsig２と、第２の水平出力回路１５３側に読み出すダーク信号のサンプルホールド信号ＳＨdk２と、水平駆動開始信号ＨＳＴＲと、出力リセット信号ＲＳＴＨと、垂直駆動用信号ＣＬＫＶ１およびＣＬＫＶ２と、水平駆動用信号ＣＬＫＨ１およびＣＬＫＨ２である。また、タイミング回路１６３に与えられる動作モード切替信号１６５は、図１の制御部１０７から出力される信号で、タイミング回路１６３で発生するタイミングのパターンを動作モードに応じて切り替える信号である。例えば、制御部１０７は、操作部材１１０で撮影者が選択した撮影モードに応じて、読み出す画素数や読み出し速度などをタイミング回路１６３に指示し、タイミング回路１６３は制御部１０７から指示された動作モードに応じたタイミング信号を生成して各部に供給する。尚、タイミング回路１６３は、撮像素子１０３に内蔵されていても構わないし、制御部１０７側に設けても構わない。また、タイミング回路１６３が発生する各タイミング信号については、後に示すタイミングチャートを用いて詳しく説明する。
【００２０】
出力回路１６４は、図１のＡＦＥ１０４に対応し、第１の水平出力回路１５２および第２の水平出力回路１５３の２経路で読み出される各画素の信号を演算処理して最終的な画像信号を出力する回路である。尚、演算処理の内容については後で詳しく説明する。
【００２１】
次に、図２に示した画素の回路構成について、画素１５１の回路を例に挙げて説明する。尚、図２に示すＲＧＢ各色の画素の回路構成は全て画素１５１と同じである。図３において、画素１５１は、フォトダイオード２０１と、転送用トランジスタ２０２と、画素アンプを構成する増幅用トランジスタ２０３と、選択用トランジスタ２０４と、リセット用トランジスタ２０５とで構成される。尚、ＦＤは転送用トランジスタ２０２のドレインとリセット用トランジスタ２０５のソースと増幅用トランジスタ２０３のゲートとが接続されるフローティングディフュージョン部、２０６は電源、２０７は接地をそれぞれ示している。また、画素１５１は、転送信号線１６０，リセット信号線１６１および選択信号線１６２の各信号線で供給される駆動信号によって制御され、垂直信号線１５９に読み出される。ここで、各駆動信号は、転送用駆動信号ＴＸと、リセット用駆動信号ＦＤＲＳＴと、選択用駆動信号ＳＥＬとで構成される。尚、これらの駆動信号については、後に示すタイミングチャートを用いて詳しく説明する。
【００２２】
次に、図２に示す第１の水平出力回路１５２の回路構成について、図４を用いて説明する。尚、第２の水平出力回路１５３も第１の水平出力回路１５２と同じ回路構成である。図４において、第１の水平出力回路１５２は、水平駆動回路３０１と、ノイズリダクション用サンプリング回路３０２と、列増幅回路３０３とで構成される。図４において、Ｓ１からＳ３は図２の１列から３列までの各垂直信号線にそれぞれ出力される電気信号、ＶＯdk1はダーク信号出力、ＶＯsig1は光信号出力、Ｈ１からＨ３は水平駆動信号、Ｖrefはリファレンス電圧、３０５は光信号用水平信号線、３０６はダーク信号用水平信号線、ＴＨＲdはダーク信号用水平リセット用トランジスタ、ＴＨＲsは光信号用水平リセット用トランジスタをそれぞれ示している。以下、順に各部について説明する。
【００２３】
列増幅回路３０３は、各列毎に設けられたカラムアンプＡ１からＡ３で構成される。カラムアンプＡ１からＡ３は、各列の垂直信号線から読み出される信号を増幅し、ノイズリダクション用サンプリング回路３０２に出力する。
【００２４】
ノイズリダクション用サンプリング回路３０２は、カラムアンプＡ１からＡ３が出力するダーク信号を蓄積するダーク信号用容量Ｃtd１からＣtd３と、カラムアンプＡ１からＡ３が出力する光信号を蓄積する光信号用容量Ｃts１からＣts３と、１列目と２列目の列増幅回路３０３の出力を光信号とダーク信号とに切り替えてそれぞれの容量にホールドさせるサンプルホールド用トランジスタＴh１１およびＴh１２と、同様に３列目と４列目のサンプルホールド用トランジスタＴh２１およびＴh２２と、５列目と６列目のサンプルホールド用トランジスタＴh３１およびＴh３２と、１列目と２列目の光信号とダーク信号とを選択して出力する出力用トランジスタＴa１１およびＴa１２と、同様に３列目と４列目の出力用トランジスタＴa２１およびＴa２２と、５列目と６列目の出力用トランジスタＴa３１およびＴa３２とで構成される。
【００２５】
ここで、第２の水平出力回路１５３の場合は、第１の水平出力回路１５２のダーク信号出力ＶＯdk1，光信号出力ＶＯsig1，光信号のサンプルホールド信号ＳＨsig1，ダーク信号のサンプルホールド信号ＳＨdk1に代わって、ダーク信号出力ＶＯdk2，光信号出力ＶＯsig2，光信号のサンプルホールド信号ＳＨsig2，ダーク信号のサンプルホールド信号ＳＨdk2がそれぞれ配置されるだけで、その他のタイミング信号や回路構成は、第２の水平出力回路１５３も第１の水平出力回路１５２と同じである。
【００２６】
次に、出力回路１６４について説明する。出力回路１６４は、第１の水平出力回路１５２と第２の水平出力回路１５３の２経路で読み出される同一画素の信号を演算処理して最終的な画像信号を出力する回路である。出力回路１６４には、第１の水平出力回路１５２側に読み出された光信号出力ＶＯsig1およびダーク信号出力ＶＯdk1と、第２の水平出力回路１５３側に読み出された光信号出力ＶＯsig2およびダーク信号出力ＶＯdk2とが入力される。
【００２７】
図５は、出力回路１６４の４つの構成例を示す図である。例えば、図５（ａ）において、出力回路１６４ａは、光信号出力ＶＯsig1からダーク信号出力ＶＯdk1を引き算する減算回路１７１と、光信号出力ＶＯsig2からダーク信号出力ＶＯdk2を引き算する減算回路１７２と、減算回路１７１の出力信号と減算回路１７２の出力信号とを平均化して画像出力ＯＵＴを出力する平均回路１７３とで構成される。ここで、減算回路１７１と減算回路１７２は、光信号に含まれるダーク信号成分を除去するための回路である。尚、出力回路１６４ａの平均回路１７３はアナログ回路で構成される。
【００２８】
また、図５（ｂ）の出力回路１６４ｂは、減算回路１７１と減算回路１７２は図５（ａ）と同じであるが、減算回路１７１の出力信号と減算回路１７２の出力信号はそれぞれＡＤＣ（Ａ／Ｄ変換回路）１７４，１７５でデジタルデータに変換され、デジタル処理で平均化する平均処理部１７６が配置されている。この場合は、平均処理部１７６が出力する画像出力ＯＵＴもデジタルデータである。
【００２９】
また、図５（ｃ）の出力回路１６４ｃは、図５（ａ）と同じ回路に加えて、平均回路１７３の出力にＡＤＣ１７７が配置され、画像出力ＯＵＴは図５（ｃ）と同様にデジタルデータで出力される。
【００３０】
また、図５（ｄ）の出力回路１６４ｄは、先に説明した図５（ａ）から図５（ｃ）の構成とは大きく異なる。図５（ａ）から図５（ｃ）の場合は、２つの経路のそれぞれにおいて光信号からダーク信号を減算後、２つの経路の出力信号をデジタル処理またはアナログ処理で平均化している。これに対して、図５（ｄ）の出力回路１６４ｄは、２つの経路のダーク信号出力ＶＯdk1とＶＯdk2の平均を求める平均回路１７８と、２つの経路のダーク信号ＶＯsig1とＶＯsig2の平均を求める平均回路１７９と、平均回路１７９の出力から平均回路１７９の出力を減算する減算回路１８０とで構成される。尚、図５（ｄ）の場合も、図５（ａ）から図５（ｃ）の場合と同様に、平均回路１７８と平均回路１７９の出力をＡ／Ｄ変換して、減算回路１８０をデジタル処理で行うようにしても構わないし、減算回路１８０の出力をＡ／Ｄ変換するようにしても構わない。
【００３１】
ここで、出力回路１６４の構成は、図５の４つの例に限定されず、２経路で読み出された２つの画像信号を平均化する演算処理と、光信号からダーク信号を減算する減算処理とを行う構成であれば他の回路構成で実現しても構わない。
【００３２】
次に、図２，図３および図４で説明した回路の動作について、図６のタイミングチャートを用いて詳しく説明する。尚、図６において、各信号の初期状態として、１回の読み出し周期を示す期間Ｔ１が始まる前に、図３のリセット信号線１６１からＦＤＲＳＴ信号がリセット用トランジスタ２０５のゲートに与えられ、各画素のＦＤ部の電荷はリセットされているものとする。
【００３３】
先ず、図６に示した期間Ｔ１の前半の期間Ｔ２において、図３に示した選択用トランジスタ２０４のゲートにＳＥＬ信号が選択信号線１６２から与えられると、選択用トランジスタ２０４がオンになり、画素１５１の信号が垂直信号線１５９に読み出される状態になる。尚、同じ行の各画素についても画素１５１と同様にそれぞれの垂直信号線に読み出される状態になる。一方、ＦＤ部のリセット用トランジスタ２０５のゲートにＦＤＲＳＴ信号のローレベルが入力されてＦＤ部の電荷のリセットが解除され、ＦＤ部のリセットノイズを含むダークレベルが増幅用トランジスタ２０３のゲートに入力され、増幅用トランジスタ２０３のソースからソースフォロワ出力される（ダーク信号）。
【００３４】
例えば、読み出す行が１行目の場合、１行目の各画素の選択用トランジスタ（画素１５１の選択用トランジスタ２０４に対応）がオンとなる。これにより、１行目の各画素が選択され、各画素の増幅用トランジスタ（画素１５１の増幅用トランジスタ２０３に対応）と各列の垂直信号線（垂直信号線１５９に対応）とがそれぞれ電気的に接続される。この状態で、例えば各画素の増幅用トランジスタが出力するダーク信号は各列の垂直信号線に読み出され、各列に対応するカラムアンプＡ１からＡ３に入力される。
【００３５】
次に、期間Ｔ２の前半の期間Ｔ３１において、第１の水平出力回路１５２に対するダーク信号のサンプルホールド信号ＳＨdk1が図４のノイズリダクション用サンプリング回路３０２のサンプルホールド用トランジスタＴh１１のゲートに与えられると、カラムアンプＡ１の出力がダーク信号用容量Ｃtd１に蓄積される。同様に、サンプルホールド用トランジスタＴh２１およびＴh３１によって、カラムアンプＡ２およびＡ３の出力がダーク信号用容量Ｃtd２およびＣtd３にそれぞれ蓄積される。尚、期間Ｔ４において、カラムリセット信号ＣＡrstが一時的にハイレベルになって、カラムアンプＡ１からＡ３がリセットされ、参照電圧Ｖrefを基準にした増幅が行われる。また、第２の水平出力回路１５３に対しても、上記で説明した第１の水平出力回路１５２のサンプルホールド信号ＳＨdk1の代わりに、サンプルホールド信号ＳＨdk2が用いられるだけで、第１の水平出力回路１５２と同様のタイミングで動作する。
【００３６】
次に、期間Ｔ５１において、第１の水平出力回路１５２に対する光信号のサンプルホールド信号ＳＨsig1が図４のノイズリダクション用サンプリング回路３０２のサンプルホールド用トランジスタＴh１２のゲートに与えられると、カラムアンプＡ１の出力が光信号用容量Ｃts１に蓄積される。同様に、サンプルホールド用トランジスタＴh２２およびＴh３２によって、カラムアンプＡ２およびＡ３の出力が光信号用容量Ｃts２およびＣts３に蓄積される。この状態で、期間Ｔ６において、図２の転送用トランジスタ２０２のゲートにＴＸ信号が転送信号線１６０から与えられると、フォトダイオード２０１に蓄積した光信号の電荷がＦＤ部、つまり、増幅用トランジスタ２０３のゲートに転送される。増幅用トランジスタ２０３で増幅された電気信号は選択用トランジスタ２０４を介して垂直信号線１５９に出力され、各列のカラムアンプＡ１からＡ３で増幅されて光信号用容量Ｃts１からＣts３にそれぞれ蓄積される。尚、第２の水平出力回路１５３に対しても、上記で説明した第１の水平出力回路１５２のサンプルホールド信号ＳＨsig1の代わりに、サンプルホールド信号ＳＨsig2が用いられるだけで、第１の水平出力回路１５２と同様のタイミングで動作する。
【００３７】
次に、期間Ｔ７において、図４の水平駆動回路３０１から１列目の水平駆動信号Ｈ１が出力用トランジスタＴa１１およびＴa１２のゲートに与えられると、出力用トランジスタＴa１１およびＴa１２のそれぞれがオンになり、ダーク信号用容量Ｃtd１に蓄積されていたダーク信号はダーク信号用水平信号線３０６を介して出力アンプＡＶ２に入り、増幅されてダーク信号出力ＶＯdk1から当該画素のダーク信号が出力される。例えば、図２の１行目（図２の最上部の行）の１列目のＧ画素のダーク信号Ｓd111が出力される。同様に、光信号用容量Ｃts１に蓄積されていた光信号は光信号用水平信号線３０５を介して出力アンプＡＶ１に入り、増幅されて光信号出力ＶＯsig1から当該画素の光信号が出力される。例えば、図２の１行１列目のＧ画素の光信号Ｓs111が出力される。尚、ダーク信号Ｓd111と光信号Ｓs111は同じ画素から第１の水平出力回路１５２を介して読み出した対となるダーク信号と光信号である。また、一つの信号が出力される毎に、光信号用水平信号線３０５およびダーク信号用水平信号線３０６は、水平リセット用トランジスタＴhrdおよびＴhrsのゲートに水平リセット信号ＲＳＴＨが与えられることにより、参照電圧Ｖrefにリセットされる。
【００３８】
同様に、第２の水平出力回路１５３に対しても、上記で説明した第１の水平出力回路１５２のダーク信号出力ＶＯdk1と光信号出力ＶＯsig1の代わりに、第２の水平出力回路１５３のダーク信号出力ＶＯdk2と光信号出力ＶＯsig2から当該画素のダーク信号および光信号が出力される。例えば、図２の１行１列目のＧ画素のダーク信号Ｓd211および光信号Ｓs211が出力される。
【００３９】
次に、期間Ｔ８において、水平駆動回路３０１が出力する２列目の水平駆動信号Ｈ２がハイレベルとされ、出力用トランジスタＴa２１およびＴa２２のそれぞれがオンになり、ダーク信号用容量Ｃtd２に蓄積されていたダーク信号はダーク信号用水平信号線３０６を介して出力アンプＡＶ２に入り、増幅されてダーク信号出力ＶＯdk1から当該画素のダーク信号が出力される。例えば、図２の１行２列目のＢ画素のダーク信号Ｓd112が出力される。同様に、光信号用容量Ｃts２に蓄積されていた光信号は光信号用水平信号線３０５を介して出力アンプＡＶ１に入り、増幅されて光信号出力ＶＯsig1から当該画素の光信号が出力される。例えば、図２の１行２列目のＢ画素の光信号Ｓs112が出力される。
【００４０】
同様に、第２の水平出力回路１５３も動作し、例えば、図２の１行２列目のＢ画素のダーク信号Ｓd212および光信号Ｓs212がダーク信号出力ＶＯdk2および光信号出力ＶＯsig2から出力される。
【００４１】
さらに、次の期間Ｔ９においては、３列目の水平駆動信号Ｈ３によって、出力用トランジスタＴa３１およびＴa３２のそれぞれがオンになり、期間Ｔ７および期間Ｔ８と同様に動作し、例えば図２の１行３列目のＧ画素のダーク信号Ｓd113および光信号Ｓs113がダーク信号出力ＶＯdk1および光信号出力ＶＯsig1からそれぞれ出力される。
【００４２】
同様に、第２の水平出力回路１５３も動作し、例えば、図２の１行３列目のＧ画素のダーク信号Ｓd213および光信号Ｓs213がダーク信号出力ＶＯdk2および光信号出力ＶＯsig2から出力される。
【００４３】
以上、図２の二次元マトリクス状に配置された画素の１行１列目のＧ画素，２列目のＢ画素および３列目のＧ画素の３つの画素から光信号およびダーク信号を読み出す場合について図６を用いて説明したが、２行目や３行目の各画素から光信号およびダーク信号を読み出す場合についても、垂直駆動回路１５４が転送用駆動信号ＴＸ，リセット用駆動信号ＦＤＲＳＴおよび選択用駆動信号ＳＥＬを１行目の代わりに２行目や３行目の各画素に対して出力するだけで、その他のタイミングチャートは図６と全く同じである。
【００４４】
このようにして、第１の水平出力回路１５２と第２の水平出力回路１５３とを介して同じ画素のダーク信号および光信号が２経路で読み出される。そして、ダーク信号出力ＶＯdk1とダーク信号出力ＶＯdk2、光信号出力ＶＯsig1と光信号出力ＶＯsig2からそれぞれ２経路で読み出された２組のダーク信号および光信号は、図５で説明した出力回路１６４で光信号からダーク信号を引き算する処理および２経路の信号を平均化する処理が施されて最終的な画像信号が出力される。
【００４５】
次に、２経路で読み出された信号を平均化する効果について図７を用いて詳しく説明する。図７は、１つの画素４０１から経路ａと経路ｂの２経路で信号を読み出す場合をモデル化した図で、わかり易いようにダーク信号および光信号を含めて１つの信号として説明する。図７において、経路ａに読み出された信号は経路ａにあるカラムアンプＣＡａなどのアナログ回路４０２を通り、ＡＤＣａ４０３でＡ／Ｄ変換されてデジタルデータで平均化処理部４０６に出力される。同様に、経路ｂに読み出された信号は経路ｂにあるカラムアンプＣＡｂなどのアナログ回路４０４を通り、ＡＤＣａ４０５でＡ／Ｄ変換されてデジタルデータで平均化処理部４０６に出力される。そして、経路ａから読み出された信号と経路ｂから読み出された信号とが平均化処理部４０６で平均化され画像出力ＯＵＴが出力される。ここで、図７の画素４０１で発生するノイズをＮｐとし、経路ａのアナログ回路４０２やＡＤＣａ４０３で発生するノイズをＮａ、経路ｂのアナログ回路４０４やＡＤＣａ４０５で発生するノイズをＮｂ、平均化処理後の画像出力ＯＵＴに含まれるノイズをＮｉとする。
【００４６】
先ず、従来のように１経路（経路ａのみまたは経路ｂのみ）で画素４０１から信号を読み出す場合のノイズについて考える。経路ａのみの場合は、画像出力ＯＵＴに含まれるノイズＮｉは、画素４０１でのノイズＮｐと経路ａのアナログ回路４０２やＡＤＣａ４０３で発生するノイズをＮａとを用いて（式１）のように求めることができる。
Ｎｉ＝√（Ｎｐ２＋Ｎａ２）  …（式１）
同様に、経路ｂのみの場合は（式２）のように求めることができる。
Ｎｉ＝√（Ｎｐ２＋Ｎｂ２）  …（式２）
これに対して、図７に示すように、経路ａと経路ｂの２経路で読み出した信号を平均化処理部４０６で平均化する場合は（式３）のように求めることができる。
Ｎｉ＝（√（２Ｎｐ２＋Ｎａ２＋Ｎｂ２））／２  …（式３）
ここで、平均化は経路ａのノイズと経路ｂのノイズとを加算して１／２する処理なので、先ず（式４）で経路ａのノイズと経路ｂのノイズとの加算値を求めてから１／２すると（式３）が導かれる。
√（Ｎｐ２＋Ｎｐ２＋Ｎａ２＋Ｎｂ２）  …（式４）
このように、本実施形態に係る撮像装置１０１は、撮像素子１０３の各画素から２経路で信号を読み出して平均化することによって、ランダム性のノイズや１／ｆノイズなどを低減した高品質な画像を得ることができる。
【００４７】
［第１の実施形態の変形例］
次に、さらにノイズ低減効果を高める方法について説明する。尚、基本的な構成は図１から図７を用いて説明した先の実施形態と同じである。ここでは先の実施形態と異なる部分についてのみ説明する。先の実施形態と異なるのは、図６のタイミングチャートに示した第２の水平出力回路１５３でダーク信号および光信号が取り込まれるサンプルホールド信号ＳＨdk2およびＳＨsig2のタイミングである。本変形例では、図８に示すタイミングのサンプルホールド信号ＳＨdk2およびＳＨsig2がタイミング回路１２１から出力される。図８において、第２の水平出力回路１５３のサンプルホールド信号ＳＨdk2（期間Ｔ３２）およびＳＨsig2（期間Ｔ５２）は、第１の水平出力回路１５２のサンプルホールド信号ＳＨdk1（期間Ｔ３１）およびＳＨsig1（期間Ｔ５１）に対してそれぞれ時間Δｔの遅延がある。この時間Δｔの遅延によって、例えば図４において、第１の水平出力回路１５３のダーク信号用容量Ｃtd１からＣtd３および光信号用容量Ｃts１からＣts３にサンプルホールドされるタイミングと、ダーク信号用容量Ｃtd１からＣtd３および光信号用容量Ｃts１からＣts３に相当する第２の水平出力回路１５４のダーク信号用容量と光信号用容量にサンプルホールドされるタイミングとが異なる。この結果、出力回路１６４を介して出力される画像信号は、異なるタイミングで取り込まれた２経路の信号を平均化した信号となるので、先に実施形態で説明した図６のタイミングチャートで動作して出力回路１６４から出力される画像信号よりも、図８のタイミングチャートで動作して出力回路１６４から出力される画像信号のノイズは低減される。次に、この理由について図９を用いて説明する。
【００４８】
図９はノイズ分布の様子を描いた図である。図９（ａ）において、５０１はランダムノイズ分布、５０２は１／ｆノイズ分布、５０３は合成ノイズ分布をそれぞれ示している。合成ノイズ分布５０３は１回のサンプリングの時の分布を示しており、サンプリング回数が増えると図５（ｂ）に示すような複数回サンプリング時の合成ノイズ分布５０４のようになる。尚、図５（ｂ）の合成ノイズ分布５０３は図５（ａ）の合成ノイズ分布５０３と同じものである。図５（ｂ）において、統計学的に複数回のサンプリングした値を平均化することによって真値（分布の中央）に近づくことが知られているので、１回のサンプリングでの合成ノイズ分布５０３に対して複数回のサンプリングした値の平均値の合成ノイズ分布５０４の分布の広がりは小さくなる。図８の実施形態では、２回のサンプリングを行っていることになるが、さらに多くの回数でサンプリングを行って平均化することによって、合成ノイズを低減することができる。
【００４９】
尚、図８において、ダーク信号と光信号の両方が同じ遅延時間Δｔである必要はなく、サンプルホールド信号ＳＨdk2の遅延が時間Δｔ1で、サンプルホールド信号ＳＨsig2の遅延が時間Δｔ2であっても構わない。
（第２の実施形態）
次に、本発明に係る撮像装置の第２の実施形態について説明する。第２の実施形態に係る撮像装置は、第１の実施形態に係る撮像装置の応用例である。尚、撮像装置自体の構成は、第１の実施形態で説明した図１と同じである。第１の実施形態と異なるのは図２の回路構成で、第２の実施形態では図１０に示すように構成される。尚、図１０において、図２と同符号のものは同じものを示すので重複する説明は省略し、図２と異なる部分についてのみ説明する。また、本実施形態に係る撮像装置１０１は、ノイズ低減を行う「高品質撮影モード」と「高速撮影モード」とを有し、撮影者は撮像装置１０１の操作部材１１０の撮影モード選択ボタンで「高品質撮影モード」と「高速撮影モード」とを選択できるようになっている。そして、制御部１０７は、撮影者が選択した撮影モードに応じた動作モード切替信号１６５をタイミング回路１６３に与え、タイミング回路１６３は制御部１０７から指示された動作モードに応じたタイミング信号を生成して各部に供給する。
【００５０】
図１０において、本実施形態に係る撮像装置１０１は、第１の水平出力回路１５２と定電流供給回路１５５との間に第１の切替回路１６６が設けられている。同様に、第２の水平出力回路１５３と定電流供給回路１５６との間に第２の切替回路１６７が設けられている。そして、第１の切替回路１６６と第２の切替回路１６７には、切り替え信号ＳＰ１とＳＰ２とがタイミング回路１６３ｂから出力される。尚、タイミング回路１６３ｂは切り替え信号ＳＰ１とＳＰ２を出力する以外は図２のタイミング回路１６３と同様に動作する。
【００５１】
第１の切替回路１６６および第２の切替回路１６７において、ＳＷ１１およびＳＷ１２は１列目か２列目のいずれかを選択するスイッチ、ＳＷ２１およびＳＷ２２は３列目か４列目のいずれかを選択するスイッチ、同様にＳＷ３１およびＳＷ３２は５列目か６列目のいずれかを選択するスイッチで構成され、これらのスイッチによって、奇数列か偶数列かのいずれかを選択する。例えば、ＳＰ１およびＳＰ２が論理１（ハイレベル）の時に各スイッチは図１０に描かれた方向に導通して奇数列の画素から信号を読み出し、論理０（ローレベル）の時には逆方向に導通して偶数列の画素から信号を読み出すものとする。
【００５２】
尚、本実施形態では、各垂直信号線に接続される第１の水平出力回路１５２および第２の水平出力回路１５３は、図４に示すような複雑な回路なので面積を多く必要とするが、本実施形態では図１０に示すように垂直信号線の二列に対して一組の回路で良いため、第１の実施形態の図２のように各垂直信号線の列毎に回路を設ける場合に比べて、スペース的な自由度があり、撮像素子１０３の微細化が容易になるという利点もある。
【００５３】
図１１（ａ）は、「高品質撮影モード」で画素から読み出す信号の流れをわかり易く描いた図で、切り替え信号ＳＰ１とＳＰ２は同位相の信号でハイレベルａにあるときはスイッチＳＷ１１およびＳＷ１２はａ側に接続され、ローレベルｂにあるときはスイッチＳＷ１１およびＳＷ１２はｂ側に接続される。図１１（ａ）の例では、Ｇ画素の信号は、第１の水平出力回路１５２と第２の水平出力回路１５３の２つの経路で読み出される。この結果、「高品質撮影モード」が選択された場合には、第１の実施形態と同様に撮像素子１０３の各画素から２経路で信号を読み出して平均化することができるので、ランダム性のノイズや１／ｆノイズなどを低減した高品質な画像を得ることができる。
【００５４】
これに対して図１１（ｂ）は、「高速撮影モード」で画素から読み出す信号の流れをわかり易く描いた図で、切り替え信号ＳＰ１とＳＰ２は逆位相の信号で切り替え信号ＳＰ１がハイレベルａにあるときは切り替え信号ＳＰ２はローレベルｂにあるので、スイッチＳＷ１１がａ側に接続されているときはＳＷ１２はｂ側に接続される。図１１（ｂ）の場合は、Ｇ画素の信号は第１の水平出力回路１５２に読み出され、隣の列のＢ画素の信号は第２の水平出力回路１５３に同時に読み出される。この結果、「高速撮影モード」が選択された場合には、撮像素子１０３の異なる列の画素から２経路で同時に信号を読み出すことができるので、「高品質撮影モード」に比べて高速に信号を読み出すことができる。
【００５５】
このように、第２の実施形態で説明してきたように、本実施形態に係る撮像装置１０１は、「高品質撮影モード」と「高速撮影モード」を撮影者が自由に選択できるので、ノイズの少ない高品質な画像を撮影する場合は「高品質撮影モード」を選択し、連写撮影など高速に撮像素子１０３から信号を読み出す必要がある場合は「高速撮影モード」を選択することによって、様々な用途に適した撮影を行うことができる。
【００５６】
以上、本発明に係る撮像装置の実施形態について説明してきたが、その精神またはその主要な特徴から逸脱することなく他の多様な形で実施することができる。そのため、上述した実施形態はあらゆる点で単なる例示に過ぎず、限定的に解釈してはならない。本発明は、特許請求の範囲によって示されるものであって、本発明は明細書本文にはなんら拘束されない。さらに、特許請求の範囲の均等範囲に属する変形や変更は、全て本発明の範囲内である。
【符号の説明】
【００５７】
１０１…撮像装置；１０２…レンズ光学系；１０３…撮像素子；１０４…ＡＦＥ（アナログフロントエンド）；１０５…画像バッファ；１０６…画像処理部；１０７…制御部；１０８…メモリカード；１０９…表示部；１１０…操作部材；１５１…画素；１５２…第１の水平出力回路；１５３…第２の水平出力回路；１５４…垂直駆動回路；１５５，１５６…定電流供給回路；１５７，１５８…定電流源；１５９…垂直信号線；１６０…転送信号線；１６１…リセット信号線；１６２…選択信号線；１６３，１６３ｂ…タイミング回路；１６４…出力回路；１６５…動作モード切替信号；１６６…第１の切替回路；１６７…第２の切替回路；１７１，１７２，１８０…減算回路；１７３，１７８，１７９…平均回路；１７４，１７５，１７７…ＡＤＣ（Ａ／Ｄ変換回路）；１７６…平均処理部；２０１…フォトダイオード；２０２…転送用トランジスタ；２０３…増幅用トランジスタ；２０４…選択用トランジスタ；２０５…リセット用トランジスタ；２０６…電源；２０７…接地；３０１…水平駆動回路；３０２…ノイズリダクション用サンプリング回路；３０３…列増幅回路；３０５…光信号用水平信号線；３０６…ダーク信号用水平信号線
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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