(57)【要約】【課題】高画質な静止画撮影と低消費電力でモニター用動画撮影が可能な固体撮像装置を提供する。【解決手段】本発明の固体撮像装置は、受光量に応じた画素信号を生成する画素部が行列状に複数個配列されている撮像部と、撮像部の１行単位または複数行単位で画素を選択する行選択部と、選択された行に属する画素部からの画素信号を伝達する、列毎に設けられた列信号線と、列毎に設けられ、対応する列信号線に接続された入力端子と増幅した画素信号を出力するための出力端子とを有するアンプ回路と、列毎に設けられ、対応するアンプ回路のオンとオフとを切り替える切替回路と、列毎に設けられ、対応するアンプ回路がオフのとき、対応するアンプ回路の前記入力端子から前記出力端子に画素信号をバイパスさせるバイパス回路とを備える。【選択図】図３Ａ
2010147614.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
受光量に応じた画素信号を生成する画素部が行列状に複数個配列されている撮像部と、
撮像部の１行単位または複数行単位で画素を選択する行選択部と、
選択された行に属する画素部からの画素信号を伝達する、列毎に設けられた列信号線と、
列毎に設けられ、対応する列信号線に接続された入力端子と増幅した画素信号を出力するための出力端子とを有するアンプ回路と、
列毎に設けられ、対応するアンプ回路のオンとオフとを切り替える切替回路と、
列毎に設けられ、対応するアンプ回路がオフのとき、対応するアンプ回路の前記入力端子から前記出力端子に画素信号をバイパスさせるバイパス回路と
を備える固体撮像装置。
【請求項２】
前記固体撮像装置は、さらに、複数の前記出力端子から出力される複数の画素信号のうち所定数の画素信号を混合する混合回路を備える
請求項１に記載の固体撮像装置。
【請求項３】
前記混合回路は、各前記アンプ回路がオフのとき前記所定数の画素信号を混合する
請求項２に記載の固体撮像装置。
【請求項４】
前記切替回路は、前記アンプ回路を、モニター用動画撮影モードにおいてオンの状態にし、静止画撮影モードにおいてオフの状態にする
請求項３に記載の固体撮像装置。
【請求項５】
前記固体撮像装置は、
列毎に設けられ、前記出力端子から出力される画素信号を内部に有する容量素子にサンプルおよびホールドするサンプルホールド回路と、
少なくとも１つのサンプルホールド回路を選択する列選択回路と
を備え、
前記列選択回路は、各前記アンプ回路がオンのときサンプルホールド回路を１つずつ順次選択し、各前記アンプ回路がオフのとき所定数のサンプルホールド回路の同時選択を順次行い、
前記混合回路は、前記所定数のサンプルホールド回路に含まれる所定数の前記容量素子により構成され、前記同時選択によって所定数の画素信号を混合する
請求項２、３または４に記載の固体撮像装置。
【請求項６】
前記混合回路は、前記出力端子から出力される画素信号であって、同じ列に属する所定数の画素信号を混合する
請求項２、３または４に記載の固体撮像装置。
【請求項７】
前記固体撮像装置は、
列毎に設けられ、内部に有する所定数の容量素子のそれぞれに、前記出力端子から出力される画素信号をサンプルおよびホールドするサンプルホールド回路と、
列毎に設けられ、サンプルホールド回路を順次選択する列選択回路と
を備え、
前記サンプルホールド回路は、各前記アンプ回路がオフのとき、前記所定数の容量素子に、異なる行に属する所定数の画素信号をサンプルおよびホールドし、
前記混合回路は、前記所定数の前記容量素子により構成され、前記列選択回路による選択によりホールドされている前記所定数の画素信号を混合する
請求項６に記載の固体撮像装置。
【請求項８】
前記列信号線は、第１信号線と第２信号線とを含み、
同じ列に属する複数の画素部は、第１信号線に接続された画素部と、第２信号線に接続された画素部とを含み、
前記アンプ回路は、増幅素子と、前記アンプ回路の前記入力端子と前記増幅素子の間に接続された入力容量素子と、前記増幅素子の入力と出力の間に接続された帰還容量素子とを含み、
前記固体撮像装置は、さらに、
列毎に設けられ、内部に有するクランプ用容量素子に前記出力端子から出力される画素信号をクランプするクランプ回路を有し、
前記バイパス回路は、各前記アンプ回路がオフのとき、対応する第１の信号線からの画素信号を前記出力端子にバイパスし、さらに、対応する第２の信号線からの画素信号を前記入力容量素子および前記帰還容量素子の少なくとも一方にクランプし、
前記混合回路は、前記入力容量素子および前記帰還容量素子の少なくとも一方と前記クランプ用容量素子を含み、各前記アンプ回路がオフのとき、それぞれにクランプされた画素信号を混合する
請求項６に記載の固体撮像装置。
【請求項９】
同じ列に属する少なくとも２つの隣接する前記画素部はそれぞれ１つセルを構成し、
各セルは、第１光電変換素子と、第２光電変換素子と、浮遊拡散層と、第１光電変換素子から信号電荷を前記浮遊拡散層に転送する第１転送部と、第２光電変換素子から信号電荷を前記浮遊拡散層に転送する第２転送部と、前記浮遊拡散層の信号電荷を電圧に変換し画素信号として出力する増幅部とを含み、
各前記アンプ回路がオフのとき、前記浮遊拡散層において、前記第１転送部により転送された信号電荷と、前記第２転送部により転送された信号電荷とを混合する
請求項１に記載の固体撮像装置。
【請求項１０】
前記固体撮像装置は、さらに、
列毎に設けられ、前記出力端子から出力される画素信号をデジタル画素信号に変換するＡＤコンバーターと、
前記混合回路は、前記所定数のデジタル画素信号を混合する
請求項２、３または４に記載の固体撮像装置。
【請求項１１】
前記ＡＤコンバーターは、画素信号の入力レンジを切り替え可能であり、
各前記アンプ回路がオフのときの前記入力レンジは、各前記アンプ回路がオンのときの前記入力レンジよりも狭い
請求項１０に記載の固体撮像装置。
【請求項１２】
前記アンプ回路は、増幅素子と、前記アンプ回路の前記入力端子と前記増幅素子の間に挿入された入力容量素子とを含み、
前記固体撮像装置は、さらに、
列毎に設けられ、内部に有するクランプ用容量素子に前記出力端子から出力される画素信号をクランプするクランプ回路と、
列毎に設けられ、各前記アンプ回路がオフのとき、前記前記入力容量素子と前記クランプ用容量素子とを並列に接続する接続回路を備える
請求項１に記載の固体撮像装置。
【請求項１３】
前記アンプ回路は、さらに、前記増幅素子の出力と入力の間に挿入された帰還容量素子を含み、
前記接続回路は、各前記アンプ回路がオフのとき、さらに、前記帰還容量素子と前記クランプ用容量素子とを並列に接続する接続回路を備える
請求項１２に記載の固体撮像装置。
【請求項１４】
請求項１から１３の何れかに記載の固体撮像装置と、
前記固体撮像装置によって撮像された画像のノイズを低減する画像処理部と
を備える撮像装置。
【請求項１５】
前記画像処理部は、
前記撮像部においてノイズを常に発生させる画素部の位置を記憶する記憶部と、
前記固体撮像装置に撮像された画像において、前記記憶部に記憶された位置に対応する画素データを補間する補間部と
を備える請求項１４に記載の撮像装置。
【請求項１６】
前記画像処理部は、前記固体撮像装置に撮像された画像に対してフィルター処理によりノイズを低減する
請求項１４または１５に記載の撮像装置。
【請求項１７】
固体撮像装置の駆動方法であって、前記固体撮像装置は、受光量に応じた画素信号を生成する画素部が行列状に複数個配列されている撮像部と、撮像部の１行単位または複数行単位で画素を選択する行選択部と、選択された行に属する画素部からの画素信号を伝達する、列毎に設けられた列信号線と、列毎に設けられ、対応する列信号線に接続された入力端子と増幅した画素信号を出力するための出力端子とを有するアンプ回路とを備え、
前記固体撮像装置の駆動方法は、
モニター用動画撮影モードと静止画撮影モードとの切り替えを検出するステップと、
静止画撮影モードへの切り替えが検出されたとき、各前記アンプ回路をオンにするステップと、
モニター用動画撮影モードへの切り替えが検出されたとき、各前記アンプ回路をオフにするステップと、
モニター用動画撮影モードへの切り替えが検出されたとき、各前記アンプ回路の前記入力端子から前記出力端子に画素信号をバイパスさせるステップと、
モニター用動画撮影モードにおいて、複数の前記出力端子から出力される複数の画素信号のうち所定数の画素信号を混合するステップと
を有する固体撮像装置の駆動方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、入射された光を光電変換する画素が半導体基板上に２次元に配置された固体撮像装置、撮像装置および固体撮像装置の駆動方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＭＯＳ型イメージセンサは、高速、高感度など優れた特徴があり、ＭＯＳ型イメージセンサを搭載したデジタル一眼レフカメラ（ＤＳＬＲ）の市場は近年急速に拡大している。ＭＯＳ型イメージセンサは一般に特許文献１に記載されているように撮像部と列回路から構成されている（図３０）。
【０００３】
撮像部は入射された光を光電変換する画素が２次元に配置されており、行単位でリセット、電荷蓄積、読み出しが行われる。また、各列の画素の出力は各列に配置された垂直信号線に接続されている。一方、列回路は列単位の構成であり、画素からのアナログ信号をカラムアンプで増幅した後に保持する手段を有している。撮像部の各垂直信号線は対応する列回路に接続されており、行単位で画素信号を読み出すことが可能になっている。列回路に保持された１行分の画素信号は水平共通信号線と出力アンプからなる水平読み出し回路により順次チップ外部に出力される。カラムアンプで信号増幅を行えば、以降の回路で発生するノイズの影響が相対的に低減し、高画質な撮影が可能になる。
【特許文献１】特開２００３−５１９８９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
デジタル一眼レフカメラでは当初ＭＯＳ型イメージセンサは静止画撮影にのみ使用され、ファインダとしては従来の光学ファインダを使用していた。これに対し、最近はいわゆるライブビュー機能のあるカメラが主流になってきている。すなわち、カメラボディーに搭載されている小型液晶ディスプレイにイメージセンサで検出したモニター画像をリアルタイムに表示する電子ファインダも搭載したカメラが主流になってきている。ライブビューには２つの方式がある。１つは、ライブビュー用動画撮影と静止画撮影の両方をＭＯＳ型イメージセンサで行う方式である。もう１つは、ライブビュー用動画撮影を専用のイメージセンサ(小型のＣＣＤセンサ等)で行い、静止画撮影をＭＯＳ型イメージセンサで行う方式である。２つ目の方式は製造コストがかかるにも関わらず、以下の理由で採用されている。
【０００５】
特許文献１のイメージセンサでは膨大なカラムアンプが搭載され（例えば１２Ｍ画素のカメラでは３０００個）、大きな電力を消費するため、電子ファインダ付カメラに適用するとその発熱によりセンサの温度が大きく上昇するという課題（第１の課題）を有している。
【０００６】
なお、温度が上昇すると、リーク電流増加による画質劣化、制御回路の動作異常などが発生し、電子ファインダが使用できる環境温度が著しく制限されることになる。ボディーが小型なカメラでは放熱が難しくこの課題はより深刻である。
【０００７】
さらに、第１の課題に対し、液晶ディスプレイの解像度は比較的小さいので、センサの列回路で信号の混合を行い出力画素数を小さくすれば水平読み出し部での消費電力は低減できるが、カラムアンプで発生する消費電力は低減することが出来ないという課題（第２の課題）を有している。
【０００８】
また、撮像部の一部の画素だけ間引いて読み出せばカラムアンプの消費電力は低減できるが、出力画像にモアレが発生するという課題（第３の課題）を有している。
【０００９】
前記課題を鑑み、本発明は、高画質な静止画撮影と電子ファインダに適した低消費電力でモニター用動画撮影が可能な固体撮像装置及び撮像装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記目的を達成するために本発明の固体撮像装置は、受光量に応じた画素信号を生成する画素部が行列状に複数個配列されている撮像部と、撮像部の１行単位または複数行単位で画素を選択する行選択部と、選択された行に属する画素部からの画素信号を伝達する、列毎に設けられた列信号線と、列毎に設けられ、対応する列信号線に接続された入力端子と増幅した画素信号を出力するための出力端子とを有するアンプ回路と、列毎に設けられ、対応するアンプ回路のオンとオフとを切り替える切替回路と、列毎に設けられ、対応するアンプ回路がオフのとき、対応するアンプ回路の前記入力端子から前記出力端子に画素信号をバイパスさせるバイパス回路とを備える。
【００１１】
この構成によれば、アンプ回路をオフにすることによって固体撮像装置の発熱量を大きく低減することができる。例えば、単発的な動作をする静止画撮影モードでは各アンプ回路をオンにすることにより高画質の静止画を撮影することができる。また、連続的な動作をする動画撮影モードでは各アンプ回路をオフにすることにより消費電力および発熱量を大きく低減することができる。このように、発熱量の低減によって動画撮影モードの直後の静止画撮影モードで撮像される静止画のノイズが低減され、画質劣化を大きく低減することができる。モニター用動画を長時間撮影する場合でも、発熱量を低減しかつ静止画の高品質化を図ることができる。
【００１２】
また、アンプ回路をオンすることによってアンプ回路以降の回路により発生するノイズの影響を小さくするので、当該ノイズによる影響を受けない高画質な画像を得ることができる。
【００１３】
ここで、前記固体撮像装置は、さらに、複数の前記出力端子から出力される複数の画素信号のうち所定数の画素信号を混合する混合回路を備えるようにしてもよい。
【００１４】
この構成によれば、混合によって、いわゆる白キズおよびモアレを低減することができる。
【００１５】
ここで、前記混合回路は、各前記アンプ回路がオフのとき前記所定数の画素信号を混合するようにしてもよい。
【００１６】
ここで、前記切替回路は、前記アンプ回路を、モニター用動画撮影モードにおいてオンの状態にし、静止画撮影モードにおいてオフの状態にするようにしてもよい。
【００１７】
この構成によれば、混合により解像度が低くなったモニター用動画を撮影したのち高解像度の静止画をする場合でも、モニター用動画撮影モードでは発熱量を低減しているので、発熱によるノイズを低減し、かつ静止画撮影モードにおいて高解像度の静止画のノイズを大幅に低減することができる。このように、いわゆるライブビュー機能を有する一眼レフカメラに好適な固体撮像装置を提供することができる。
【００１８】
ここで、前記固体撮像装置は、列毎に設けられ、前記出力端子から出力される画素信号を内部に有する容量素子にサンプルおよびホールドするサンプルホールド回路と、少なくとも１つのサンプルホールド回路を選択する列選択回路とを備え、前記列選択回路は、各前記アンプ回路がオンのときサンプルホールド回路を１つずつ順次選択し、各前記アンプ回路がオフのとき所定数のサンプルホールド回路の同時選択を順次行い、前記混合回路は、前記所定数のサンプルホールド回路に含まれる所定数の前記容量素子により構成され、前記同時選択によって所定数の画素信号を混合するようにしてもよい。
【００１９】
この構成によれば、水平方向（つまり行方向）の所定数の画素信号を混合する混合回路を容易に実現することができる。すなわち、既存の容量素子を混合回路として機能させるので、混合回路としての特別な回路を実質的に追加することなく、容易に混合回路を実現することができる。
【００２０】
ここで、前記混合回路は、前記出力端子から出力される画素信号であって、同じ列に属する所定数の画素信号を混合するようにしてもよい。
【００２１】
ここで、前記固体撮像装置は、列毎に設けられ、内部に有する所定数の容量素子のそれぞれに、前記出力端子から出力される画素信号をサンプルおよびホールドするサンプルホールド回路と、列毎に設けられ、サンプルホールド回路を順次選択する列選択回路とを備え、前記サンプルホールド回路は、各前記アンプ回路がオフのとき、前記所定数の容量素子に、異なる行に属する所定数の画素信号をサンプルおよびホールドし、前記混合回路は、前記所定数の前記容量素子により構成され、前記列選択回路による選択によりホールドされている前記所定数の画素信号を混合するようにしてもよい。
【００２２】
この構成によれば、垂直方向（つまり列方向）の所定数の画素信号を混合する混合回路を容易に実現することができる。
【００２３】
ここで、前記列信号線は、第１信号線と第２信号線とを含み、同じ列に属する複数の画素部は、第１信号線に接続された画素部と、第２信号線に接続された画素部とを含み、前記アンプ回路は、増幅素子と、前記アンプ回路の前記入力端子と前記増幅素子の間に接続された入力容量素子と、前記増幅素子の入力と出力の間に接続された帰還容量素子とを含み、前記固体撮像装置は、さらに、列毎に設けられ、内部に有するクランプ用容量素子に前記出力端子から出力される画素信号をクランプするクランプ回路を有し、前記バイパス回路は、各前記アンプ回路がオフのとき、対応する第１の信号線からの画素信号を前記出力端子にバイパスし、さらに、対応する第２の信号線からの画素信号を前記入力容量素子および前記帰還容量素子の少なくとも一方にクランプし、前記混合回路は、前記入力容量素子および前記帰還容量素子の少なくとも一方と前記クランプ用容量素子を含み、各前記アンプ回路がオフのとき、それぞれにクランプされた画素信号を混合するようにしてもよい。
【００２４】
この構成によれば、さらに、アンプ回路内の入力容量素子または帰還容量素子を、本来の機能とは異なる、クランプ用の容量素子として転用するので、クランプ動作のゲインが増加し、後段回路のノイズの影響を低減できる。さらに、２つの行から同時画素信号を読み出すことによりフレームレートを向上できるという効果もある。
【００２５】
ここで、同じ列に属する少なくとも２つの隣接する前記画素部はそれぞれ１つセルを構成し、各セルは、第１光電変換素子と、第２光電変換素子と、浮遊拡散層と、第１光電変換素子から信号電荷を前記浮遊拡散層に転送する第１転送部と、第２光電変換素子から信号電荷を前記浮遊拡散層に転送する第２転送部と、前記浮遊拡散層の信号電荷を電圧に変換し画素信号として出力する増幅部とを含み、各前記アンプ回路がオフのとき、前記浮遊拡散層において、前記第１転送部により転送された信号電荷と、前記第２転送部により転送された信号電荷とを混合するようにしてもよい。
【００２６】
この構成によれば、さらに、各セル内で複数の画素部が浮遊拡散層と増幅部とを共用するので画素部の回路面積を小さくすることができる。さらに、２つの行から同時画素信号を読み出すことによりフレームレートを向上できるという効果もある。
【００２７】
ここで、前記固体撮像装置は、さらに、列毎に設けられ、前記出力端子から出力される画素信号をデジタル画素信号に変換するＡＤコンバーターと、前記混合回路は、前記所定数のデジタル画素信号を混合するようにしてもよい。
【００２８】
この構成によれば、さらに、混合部がデジタル画素信号を混合するので、小さい値をもつデジタル画素信号であっても、ノイズの影響を受けないので、画像の暗い部分の画質を向上させることができる。
【００２９】
ここで、前記ＡＤコンバーターは、画素信号の入力レンジを切り替え可能であり、各前記アンプ回路がオフのときの前記入力レンジは、各前記アンプ回路がオンのときの前記入力レンジよりも狭い構成としてもよい。
【００３０】
この構成によれば、各前記アンプ回路がオフのときのＡＤコンバーターによるＡＤ変換時間を短縮し、フレームレートを高めることができる。
【００３１】
ここで、前記アンプ回路は、増幅素子と、前記アンプ回路の前記入力端子と前記増幅素子の間に挿入された入力容量素子とを含み、前記固体撮像装置は、さらに、列毎に設けられ、内部に有するクランプ用容量素子に前記出力端子から出力される画素信号をクランプするクランプ回路と、列毎に設けられ、各前記アンプ回路がオフのとき、前記前記入力容量素子と前記クランプ用容量素子とを並列に接続する接続回路を備えるようにしてもよい。
【００３２】
この構成によれば、アンプ回路内の入力容量素子を、本来の機能とは異なる、クランプ用の容量素子に転用することができる。その結果、クランプ動作のゲインが増加し、後段回路のノイズの影響を低減できる。
【００３３】
ここで、前記アンプ回路は、さらに、前記増幅素子の出力と入力の間に挿入された帰還容量素子を含み、前記接続回路は、各前記アンプ回路がオフのとき、さらに、前記帰還容量素子と前記クランプ用容量素子とを並列に接続する接続回路を備えるようにしてもよい。
【００３４】
この構成によれば、さらに、アンプ回路内の帰還容量素子を、本来の機能とは異なる、クランプ用の容量素子に転用することができる。その結果、クランプ動作のゲインが増加し、後段回路のノイズの影響を低減できる。
【００３５】
また、本発明の撮像装置は、上記の固体撮像装置と、前記固体撮像装置によって撮像された画像のノイズを低減する画像処理部とを備える。
【００３６】
この構成によれば、固体撮像装置内部で発生したノイズにより劣化した画質を回復することができる。
【００３７】
ここで、前記画像処理部は、前記撮像部においてノイズを常に発生させる画素部の位置を記憶する記憶部と、前記固体撮像装置に撮像された画像において、前記記憶部に記憶された位置に対応する画素データを補間する補間部とを備えるようにしてもよい。
【００３８】
この構成によれば、固体撮像装置の撮像部に固有の格子欠陥等に起因する白キズとなる画素信号を除去して、画質を向上させることができる。
【００３９】
ここで、前記画像処理部は、前記固体撮像装置に撮像された画像に対してフィルター処理によりノイズを低減するようにしてもよい。
【００４０】
この構成によれば、固体撮像装置内部で発生したノイズによる画質劣化を目立たなくすることができる。
【００４１】
また、本発明の固体撮像装置の駆動方法は、固体撮像装置の駆動方法であって、前記固体撮像装置は、受光量に応じた画素信号を生成する画素部が行列状に複数個配列されている撮像部と、撮像部の１行単位または複数行単位で画素を選択する行選択部と、選択された行に属する画素部からの画素信号を伝達する、列毎に設けられた列信号線と、列毎に設けられ、対応する列信号線に接続された入力端子と増幅した画素信号を出力するための出力端子とを有するアンプ回路とを備え、前記固体撮像装置の駆動方法は、モニター用動画撮影モードと静止画撮影モードとの切り替えを検出するステップと、静止画撮影モードへの切り替えが検出されたとき、各前記アンプ回路をオンにするステップと、モニター用動画撮影モードへの切り替えが検出されたとき、各前記アンプ回路をオフにするステップと、モニター用動画撮影モードへの切り替えが検出されたとき、各前記アンプ回路の前記入力端子から前記出力端子に画素信号をバイパスさせるステップと、モニター用動画撮影モードにおいて、複数の前記出力端子から出力される複数の画素信号のうち所定数の画素信号を混合するステップとを有する。
【００４２】
この構成によれば、上記と同様の効果がある。
【発明の効果】
【００４３】
本発明に係る固体撮像装置によれば、高画質な静止画撮影機能と幅広い環境温度で使用できる電子ファインダ機能を有するデジタル一眼レフカメラ、ミラーレス（ミラーで反射（フレックス）させる構造を備えない）構造のデジタル一眼カメラ、レンズ固定型デジタルスチルカメラの実現が容易になるという効果がある。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４４】
以下、本発明に係る固体撮像装置の実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、以下の実施形態では一眼レフカメラと一眼カメラをあわせて一眼レフカメラと呼ぶものとする。
【００４５】
（第１の実施形態）
第１の実施形態における固体撮像装置は、列毎に設けられたアンプ回路（カラムアンプ）からなるカラムアンプ部を有する固体撮像装置であって、列毎に設けられ、対応するアンプ回路のオンとオフとを切り替える切替回路と、列毎に設けられ、対応するアンプ回路がオフのとき、対応するアンプ回路の前記入力端子から前記出力端子に画素信号をバイパスさせるバイパス回路とを備える。この構成により、アンプ回路をオフにすることによって固体撮像装置の発熱量を大きく低減することができる。例えば、連続的な動作をする動画撮影モードでは各アンプ回路をオフにすることにより消費電力および発熱量を大きく低減することができる。発熱量の低減によって動画撮影モードの直後の静止画撮影モードで撮像される静止画のノイズが低減され、画質劣化を大きく低減することができる。モニター用動画を長時間撮影する場合でも、発熱量を低減しかつ静止画の高品質化を図ることができる。
【００４６】
さらに、第１の実施形態の固体撮像装置は、所定数の画素信号を混合する混合回路を備え、この混合回路は、各前記アンプ回路がオフのとき前記所定数の画素信号を混合する。また、切替回路は、前記アンプ回路を、モニター用動画撮影モードにおいてオンの状態にし、静止画撮影モードにおいてオフの状態にするよう構成されている。混合により解像度が低くなったモニター用動画を撮影したのち高解像度の静止画をする場合でも、モニター用動画撮影モードでは発熱量を低減しているので、発熱によるノイズを低減し、かつ静止画撮影モードにおいて高解像度の静止画のノイズを大幅に低減することができる。このように、いわゆるライブビュー機能を有する一眼レフカメラに好適である。
【００４７】
図１は、本発明の第１の実施形態における固体撮像装置の全体構成を示す図である。図１より、撮像部１、行選択回路３、カラムアンプ部４、クランプ部５、サンプルホールド（Ｓ／Ｈ）部６、マルチプレクサ（ＭＵＸ）部７、列選択回路８、出力アンプ９から構成される。
【００４８】
撮像部１は、光電変換を行う画素部２が２次元状に配置された撮像領域である。ここでは４×４の２次元状に配列された１６画素の例が示されているが、実際の総画素数は数百万個以上である。
【００４９】
行選択回路３は、横１行毎に行選択信号ＳＥＬ、画素リセット信号ＲＳＴ、電荷転送信号ＴＲＡNの３本の制御線を備え、撮像部１の各画素部に対して、行単位でリセット（初期化）、リード（読み出し）、およびラインセレクト（行選択）を制御する。
【００５０】
カラムアンプ部４は列方向に基本単位となるカラムアンプ４ａが複数個アレイ状にならび、撮像部１からの行単位の出力を増幅する。
【００５１】
クランプ部５は列方向に基本単位となるクランプ回路５ａが複数個アレイ状にならび、カラムアンプ部４からの行単位の出力から画素部２で発生する固定パターンノイズ成分を除去する。
【００５２】
Ｓ／Ｈ部６は列方向に基本単位となるＳ／Ｈ回路６ａが複数個アレイ状にならび、クランプ部５からの行単位の出力をサンプルおよびホールドする。
【００５３】
ＭＵＸ部７は列方向に基本単位となる単位回路７ａが複数個アレイ状にならび、Ｓ／Ｈ部６内の各Ｓ／Ｈ回路６ａと水平共通信号線４３との接続を切り替える。
【００５４】
列選択回路８は、制御線を備え、ＭＵＸ部７の列を順次選択する。
出力アンプ９はＭＵＸ部７および水平共通信号線４３を介してＳ／Ｈ回路６ａの出力を受け取り、増幅した後にチップ外部に出力する。
【００５５】
図２は列方向に並ぶ複数の画素部２の詳細を示す回路図である。
図２より、画素部２は、初期化時の電圧を増幅したリセット電圧と読み出し時の電圧を増幅したリード電圧とを垂直信号線（又は列信号線とも呼ぶ）１８に出力することを特徴とし、入射した光を光電変換し電荷を出力するフォトダイオード（ＰＤ）１０と、ＰＤ１０により発生した電荷を蓄積し、蓄積した電荷を電圧信号として出力するフローティングディフュージョン（ＦＤ）１２と、ＦＤ１２の示す電圧が初期電圧（ここではＶＤＤ）になるようにリセットするリセットＴｒ１３と、ＰＤ１０により出力される電荷をＦＤ１２に供給する転送Ｔｒ１１と、ＦＤ１２の示す電圧に追従して変化する電圧を出力する増幅Ｔｒ１４と、行選択回路３からラインセレクト信号を受けたときに増幅Ｔｒ１４の出力を垂直信号線１８に接続する選択Ｔｒ１５を含む。画素電流源Ｔｒ７２は各列に１個ずつ配置されており、増幅Ｔｒ１４の出力を垂直信号線１８に供給するための電流を生成する。
【００５６】
図３Ａは、本発明の第１の実施形態におけるカラムアンプ４ａの第１例を示す図である。同図のカラムアンプ４ａは、増幅素子ＡＭＰと切替回路４ｂとバイパス回路４ｃを備える。
【００５７】
切替回路４ｂは、スイッチトランジスタＳＷ１とスイッチトランジスタＳＷ２を有し、増幅素子ＡＭＰのオンとオフとを切り替える。スイッチトランジスタＳＷ１、Ｓｗ２は、それぞれパワーセーブ反転信号４４がハイレベル（以下単にＨと記す）のとき閉じ、ローレベル（以下単にＬと記す）のとき開く。ここで、増幅素子ＡＭＰの「オン」とは、増幅素子ＡＭＰが増幅動作を行うことをいう。ここで、増幅素子ＡＭＰの「オフ」とは、増幅素子ＡＭＰが増幅動作を行わず、かつ電力または電流を消費しないことをいう。同図では、２つのスイッチトランジスタＳＷ１、ＳＷ２により電力供給を遮断することによって、増幅素子ＡＭＰをオフにしている。
【００５８】
バイパス回路４ｃは、増幅素子ＡＭＰがオフのとき、増幅素子ＡＭＰの入力端子から出力端子に画素信号をバイパスさせる。同図のバイパス回路は、増幅素子ＡＭＰからの増幅された画素信号と、バイパスされた増幅されていない画素信号の一方を選択するセレクタとなっている。
【００５９】
図３Ｂは、本発明の第１の実施形態におけるカラムアンプ４ａの第２例を示す図である。同図は、図３Ａと比べてスイッチトランジスタＳＷ１が削除されている点のみ異なるが、動作は同じなので説明を省略する。
【００６０】
図３Ｃは、本発明の第１の実施形態におけるカラムアンプ４ａの第３例を示す図である。同図は、図３Ａと比べてスイッチトランジスタＳＷ２が削除されている点のみ異なるが、動作は同じなので説明を省略する。
【００６１】
図４はカラムアンプ４ａ、クランプ回路５ａ、Ｓ／Ｈ回路６ａからなる列回路の詳細を示す図である。この列回路の機能は画素部から出力されるリセット電圧とリード電圧との差分を示す信号を一時保持した後にＭＵＸ部７に出力することである。同図において切替回路４ｂは、パワーセーブトランジスタ２５により構成される。パワーセーブ信号３０がＬのとき、パワーセーブトランジスタ２５はオンになる。これにより、増幅トランジスタ２２のゲートがグラウンドレベルになるので、増幅トランジスタ２２がオフの状態になり、増幅動作も電流消費もしなくなる。
【００６２】
図４より、カラムアンプ４ａは画素部２の信号が一方の端子に入力される入力容量２６（容量値Ｃｉｎ）、入力容量２６の他方の端子がゲートに接続され画素部２からの信号を増幅するカラムアンプ増幅Ｔｒ２２、ゲートにカラムアンプバイアス電位２８が接続され増幅Ｔｒ２２に駆動電流を供給するカラムアンプバイアスＴｒ２３、カラムアンプ増幅Ｔｒ２２による信号増幅の大きさを決めるフィードバック容量２７（容量値Ｃｆｂ）、ゲートにカラムアンプリセット信号２９が供給され、カラムアンプ増幅Ｔｒ２２の出力を所定電位に設定するリセット動作を行うカラムアンプリセットＴｒ２４、ゲートにカラムアンプパワーセーブ信号３０が供給され、カラムアンプ増幅Ｔｒ２２のゲート電位をグランドにセットするカラムアンプパワーセーブＴｒ２５、ゲートに出力選択信号１（３３）が供給され、カラムアンプ増幅Ｔｒ２２のドレインと出力を接続するカラムアンプ出力選択Ｔｒ１（３１）、ゲートに出力選択信号２（３４）が供給され、入力端子と出力端子を直接接続するカラムアンプ出力選択Ｔｒ２（３２）からなる。
【００６３】
また、カラムアンプパワーセーブ信号３０がＬ、出力選択信号１（３３）がＨ、出力選択信号２（３４）がＬのとき、カラムアンプ４ａは画素部２から入力端子を介して入力された信号を増幅し、増幅した信号を出力端子を介してクランプ回路５ａに出力する。このときのゲインＡはＣｉｎ／Ｃｆｂである。一方、カラムアンプパワーセーブ信号３０がＨ、出力選択信号１（３３）がＬ、出力選択信号２（３４）がＨのとき、画素部２から入力端子を介して入力された画素信号は、バイパス回路４ｃを迂回し出力端子を介して直接クランプ回路５ａに出力される。このとき、増幅Ｔｒ２２のゲートはグランドとなるので、カラムアンプバイアスＴｒ２３からの電流は遮断され、カラムアンプ増幅Ｔｒ２２を主とする増幅素子ＡＭＰはオフになっている。
【００６４】
また、クランプ回路５ａはカラムアンプ４ａから入力されるリセット信号とリード信号の差分すなわち画素信号を求めるクランプ容量３５（容量値Ｃｃｌ）と、ゲートにクランプ信号３８が供給されクランプ容量３５のカラムアンプ４ａとは反対側の端子電位をクランプ電位ＶＣＬ（３７）に設定するためのクランプＴｒ３６からなる。また、Ｓ／Ｈ回路６ａは、ゲートにＳ／Ｈ容量入力信号４１が供給され画素信号を一時保持するＳ／Ｈ容量４０（容量値Ｃｓｈ）と、Ｓ／Ｈ容量４０に信号を入力するＳ／Ｈ容量入力Ｔｒ３９を含む。
【００６５】
図５ＡはＳ／Ｈ部、ＭＵＸ部およびその周辺の詳細を示す回路例である。
図５Ａより、各Ｓ／Ｈ容量４０と水平共通信号線４３の間には列選択Ｔｒ４２が配置されている。列選択Ｔｒ４２はゲートに供給される列選択信号（Ｈ［ｎ］）に応じてＳ／Ｈ容量４０に保持された信号を順次水平共通信号線４３に出力する。水平共通信号線４３を介して出力アンプ９に供給された信号は増幅された後にチップ外部に出力される。
【００６６】
ここで、画素部２には、画素リセット信号（ＲＳＴ）、電荷転送信号（ＴＲＡＮ）、および、行選択信号（ＳＥＬ）が入力される。列回路（カラムアンプ４ａ、クランプ回路５ａ、Ｓ／Ｈ回路６ａ）には、カラムアンプパワーセーブ信号３０、カラムアンプリセット信号２９、カラムアンプ出力選択信号１（３３）、２（３４）、クランプ信号３８、Ｓ／Ｈ容量入力信号４１、ＭＵＸ部７には、列選択信号Ｈ［ｎ］が決められたタイミングで供給され、これら各制御信号にそれぞれ対応するトランジスタが開閉（オンオフ）される。
【００６７】
また、本発明の第１の実施形態に係る固体撮像装置には、カメラスチル撮影に使える全画素読み出しモードと、カメラのモニター画像の撮影に使える画素混合モードを備えている。次にそれぞれの信号読み出し動作を説明する。
【００６８】
図６は、全画素読み出しモードにおける画素部と列回路に供給される各制御信号のタイミングを示す図である。
【００６９】
図６より、カラムアンプパワーセーブ信号３０はＬ、出力選択信号１（３３）はＨ、出力選択信号１（３４）はＬのため、カラムアンプ４ａは画素部２からの信号を増幅しクランプ回路５ａに出力する。
【００７０】
タイミングｔ１においては、転送Ｔｒ１１がオフでリセットＴｒ１３はオンであり、ＦＤ１２の電位（以下ではＶｆｄ）はＦＤリセット電位Ｖｆｄｒｓｔ（＝ＶＤＤ）に初期化される。
【００７１】
タイミングｔ２では転送Ｔｒ１１、リセットＴｒ１３がオフなので、ＦＤ電位のリセット状態は保持される。このとき、選択Ｔｒ１５はオンのため増幅Ｔｒ１４と画素電流源Ｔｒ７２がソースフォロア回路を構成し、Ｖｆｄｒｓｔ−Ｖｔｈがリセット電圧として垂直信号線１８に出力される（正確にはＶｆｄｒｓｔ−Ｖｔｈ−αであるが、ここではαは省略）。さらに、このリセット電圧Ｖｆｄｒｓｔ−Ｖｔｈはカラムアンプ４ａに入力される。カラムアンプ４ａではカラムアンプリセット信号２９がＨなのでカラムアンプ増幅Ｔｒ２２のゲート−ドレインがショートされ、ドレイン電圧は画素部２からの信号に依存しない一定電位Ｖｃａｒｓｔになり、クランプ容量３５の一方の端子に出力する。一方、クランプ信号３８とＳ／Ｈ容量入力信号４１はＨであり、クランプ容量３５の他方の端子ならびにＳ／Ｈ容量４０の電位はＶＣＬに設定される。
【００７２】
タイミングｔ３では転送Ｔｒ１１がオンとなるため、ＰＤ１０に蓄積された電荷がＦＤ１２に転送され、Ｖｆｄはこの信号電荷量に応じた電圧Ｖｆｄｓｉｇだけ低下しＶｆｄｒｓｔ−Ｖｆｄｓｉｇとなる。
【００７３】
タイミングｔ４では転送Ｔｒ１１がオフで選択Ｔｒ１５がオンであり、Ｖｆｄｒｓｔ−Ｖｆｄｓｉｇ−Ｖｔｈがリード電圧として垂直信号線１８に出力される。これによりカラムアンプ４ａの入力はＶｆｄｓｉｇだけ変化するので、その出力はＶｆｄｓｉｇ×Ａだけ上昇する（カラムアンプリセット信号２９はＬでカラムアンプ７ａのリセット状態が解除されているからである）。さらに、クランプＴｒ３６はオフなので、クランプ容量３５の他方の端子の電位、すなわちＳ／Ｈ容量の電位はＶｆｄｓｉｇ×Ａ×Ｃｃｌ／（Ｃｃｌ＋Ｃｓｈ）だけ上昇する。
【００７４】
この電位変化は垂直信号線１８におけるリセット電圧とリード電圧の差分に対応した電圧、すなわち画素信号であり、タイミングｔ５でＳ／Ｈ容量入力信号４１がＬとなりこの画素信号がＳ／Ｈ容量４０に書き込まれる。
【００７５】
以上により１行分の画素信号がＳ／Ｈ部６に保持されることになる。
次に、図７は全画素読み出しモードにおけるＭＵＸ部に供給される各制御信号のタイミングを示す図である。
【００７６】
タイミングｔ６では列選択信号Ｈ［１］がＨとなり、列１の列選択Ｔｒ４２がオンとなる。これにより列１のＳ／Ｈ容量４０の信号が水平共通信号線４３に出力され、出力アンプ９を介して外部に出力される。
【００７７】
タイミングｔ７では列選択信号Ｈ［２］がＨとなり、列２の列選択Ｔｒ４２がオンとなる。これにより列２のＳ／Ｈ容量の信号が水平共通信号線４３に出力され、出力アンプを介して外部に出力される。同様に順次列選択信号をＨにすれば各列のＳ／Ｈ容量４０の信号が順次出力される。以上より、１行分の画素信号が順次出力される。さらに、図６および図７の動作を撮像部１の行数だけ繰り返せば、撮像部１全体の信号が読み出されることになる。
【００７８】
図８は、画素混合モードにおける画素部と列回路に供給される各制御信号のタイミングを示す図である。
【００７９】
カラムアンプパワーセーブ信号３０はＨ、出力選択信号１（３３）はＬ、出力選択信号２（３４）はＨのため、カラムアンプ４ａへの入力は増幅されずに直接クランプ回路５ａに出力する。
【００８０】
タイミングｔ１においては、転送Ｔｒ１１がオフでリセットＴｒ１３はオンであり、ＦＤ１２の電位（以下ではＶｆｄ）はＦＤリセット電位Ｖｆｄｒｓｔ（＝ＶＤＤ）に初期化される。
【００８１】
タイミングｔ２では転送Ｔｒ１１、リセットＴｒ１３がオフなので、ＦＤ電位のリセット状態は保持される。このとき、選択Ｔｒ１５はオンのため増幅Ｔｒ１４と画素電流源Ｔｒ７２がソースフォロア回路を構成し、Ｖｆｄｒｓｔ−Ｖｔｈがリセット電圧として垂直信号線１８に出力される（正確にはＶｆｄｒｓｔ−Ｖｔｈ−αであるが、ここではαは省略）。さらに、このリセット電圧Ｖｆｄｒｓｔ−Ｖｔｈは、クランプ容量３５の一方の端子に入力される。一方、クランプ信号とＳ／Ｈ容量入力信号４１はＨであり、クランプ容量３５の他方の端子ならびにＳ／Ｈ容量４０の電位はＶＣＬに固定される。
【００８２】
タイミングｔ３では転送Ｔｒ１１がオンとなるため、ＰＤ１０に蓄積された電荷がＦＤ１２に転送され、Ｖｆｄはこの信号電荷量に応じた電圧Ｖｆｄｓｉｇだけ低下しＶｆｄｒｓｔ−Ｖｆｄｓｉｇとなる。
【００８３】
タイミングｔ４では転送Ｔｒ１１がオフで選択Ｔｒ１５がオンであり、Ｖｆｄｒｓｔ−Ｖｆｄｓｉｇ−Ｖｔｈがリード電圧として垂直信号線１８に出力される。これによりクランプ容量３５の入力はＶｆｄｓｉｇだけ変化する。
【００８４】
さらに、クランプＴｒ３６はオフなので、クランプ容量３５の他方の端子の電位、すなわちＳ／Ｈ容量４０の電位はＶｆｄｓｉｇ×Ｃｃｌ／（Ｃｃｌ＋Ｃｓｈ）だけ低下するこの電位変化は垂直信号線１８におけるリセット電圧とリード電圧の差分に対応した電圧、すなわち画素信号であり、タイミングｔ５でＳ／Ｈ容量入力信号４１がＬとなりこの画素信号がＳ／Ｈ容量４０に書き込まれる。
【００８５】
以上により１行分の画素信号がＳ／Ｈ部６に保持されることになる。
次に、図９は画素混合モードにおけるＭＵＸに供給される各制御信号のタイミングを示す図である。
【００８６】
タイミングｔ６では３つの列選択信号Ｈ［１］、Ｈ［２］、Ｈ［３］がＨとなり、列１、２、３の列選択Ｔｒ４２がオンとなる。これにより列１、２、３のＳ／Ｈ容量４０の信号が同時に水平共通信号線４３に出力され、混合された後に、出力アンプを介して外部に出力される。
【００８７】
タイミングｔ７では３つの列選択信号Ｈ［４］、Ｈ［５］、Ｈ［６］がＨとなり、列４、５、６の列選択Ｔｒ４２がオンとなる。これにより列４、５、６のＳ／Ｈ容量の信号が水平共通信号線４３に出力され、混合された後に、出力アンプ９を介して外部に出力される。同様に順次３個ずつ列選択信号をＨにすれば各列のＳ／Ｈ容量４０の信号が順次、混合、出力される。
【００８８】
以上より、１行分の画素混合信号が順次出力される。さらに、図８、図９の動作を撮像部１の行数だけ繰り返せば、撮像部１全体の混合信号が読み出されることになる。
【００８９】
このように、図８、図９のタイムチャートに示したように、図５ＡのＳ／Ｈ部６において、回路規模を増加させることなく水平方向の画素混合をすることができる。すなわち、Ｓ／Ｈ部６内の複数個のＳ／Ｈ容量４０は、水平方向（行方向）の画素を混合する混合回路としても機能する。
【００９０】
Ｓ／Ｈ部６において垂直方向(列方向)の画素を混合する場合の、Ｓ／Ｈ回路およびその周辺の回路例を図５Ｂに示す。図５Ｂは、１つの列に対応するＳ／Ｈ回路６ｂおよび１つの列に対応するＭＵＸ回路７ｂを示している。図５Ａにおいて、各Ｓ／Ｈ回路６ａおよび各ＭＵＸ回路７ａの代わりに、Ｓ／Ｈ回路６ｂおよびＭＵＸ回路７ｂを備えることにより、垂直方向の３画素の混合が可能になる。この場合、Ｓ／Ｈ回路６ｂ内の３つのＳ／Ｈ容量４０には、垂直方向の３つの画素信号をサンプルおよびホールドさせればよい。
【００９１】
以上、図面を用いて説明したように、本発明の第１の実施形態に係る固体撮像装置は、受光量に応じた画素信号を生成する画素部２が行列状に複数個配列されている撮像部１と、撮像部の１行単位または複数行単位で画素を選択する行選択回路３と、選択された行に属する画素部２からの画素信号を伝達する、列毎に設けられた列信号線１８と、列毎に設けられ、対応する列信号線に接続された入力端子と増幅した画素信号を出力するための出力端子とを有するカラムアンプ（増幅素子ＡＭＰ）と、列毎に設けられ、対応するカラムアンプのオンとオフとを切り替える切替回路４ｂと、列毎に設けられ、対応するカラムアンプがオフのとき、対応するカラムアンプの前記入力端子から前記出力端子に画素信号をバイパスさせるバイパス回路４ｃとを備えている。これによれば、静止画撮影時は高画質・高解像度を必要なときにはカラムアンプで信号増幅を行うときは全画素読み出しモードを用い、電子ファインダなどのモニター画像撮影を行う場合などでは、カラムアンプに動作電流が流れないようにする。
【００９２】
さらに、本発明の第１の実施形態に係る固体撮像装置及びその駆動方法では、カラムアンプに動作電流が流れないようにする場合は、画素混合モードを用いていることを特徴とする。
【００９３】
さらに、本発明の第１の実施形態に係る固体撮像装置及びその駆動方法では、画素混合モードでは水平読み出し部で画素混合を行うことを特徴とする。
【００９４】
これにより、全画素読み出しモードではカラムアンプで信号増幅を行う。各回路部ではノイズが発生するが、この信号増幅によりカラムアンプ以降のノイズの影響を低減することができ、高画質・高解像度な静止画撮影が行うことが出来る。
【００９５】
さらに、電子ファインダのためのモニター画像撮影時は画素混合モードを用いることにより、出力画像不良（モアレ発生）を起こすことなく、カラムアンプで発生する消費電力を抑えることができ、リーク電流増加による画質劣化、制御回路の動作異常を防ぐことができ、温度、時間などの電子ファインダが使用できる自由度を広げることが出来る。
【００９６】
なお、本発明の固体撮像装置は、ライブビュー機能を有する一眼レフカメラにおいて（ＣＭＯＳイメージセンサによってライブビューつまりモニター用動画撮影をする一眼レフカメラにおいて）モニター用の液晶パネルまたは電子ファインダ用の液晶パネルがインターレース走査をする場合には、行の間引きを伴ってもさほど画質が劣化しないことから、本実施形態の図５Ａ、図９のように水平方向の画素混合を行うことがより好ましいと考えられる。
【００９７】
一方、水平方向のコントラストを利用したＡＦ（Auto Focus）機能を有するカメラでは、水平方向の画素混合ではなく、水平方向の解像度を損なわないことから垂直方向の画素混合を行うことが好ましいと考えられる。
【００９８】
この場合は、垂直混合は各列のＳ／Ｈ容量を複数にし、複数行の画素信号をＳ／Ｈ回路に読み出し、各列のＳ／Ｈ容量の信号を同時に水平共通信号線４３に読み出すようにすれば実現できる。
【００９９】
さらに、垂直混合を行う場合は、図４のようなフィードバック容量素子と入力容量素子を有するカラムアンプの場合は、アンプよりも前で行うことが好ましい。この場合、入力容量素子において混合することも可能であり、回路を増加させないという利点がある。また、例えば、後述する図１９のようにカラムアンプよりも極力前で画素混合を行うことは、ノイズの混入が少ないうちにノイズを低減するので画質の点で好ましい。
【０１００】
また、図４とは異なり、カラムアンプの増幅素子が抵抗フィードバックを有するタイプあるいはフィードバックがないタイプである場合には、カラムアンプより後段で画素混合することが好ましいと考えられる。この場合、例えば、図５Ｂのような、Ｓ／Ｈ回路において画素混合すれば、回路増加を回避することができる。
【０１０１】
（第２の実施形態）
以下、図面を参照に本発明の第２の実施形態に係る固体撮像装置を説明するが、後述する記載以外の部分は、上述した実施形態と同じである。
【０１０２】
まず、図１０Ａは、本発明の第２の実施形態における固体撮像装置の列回路（カラムアンプ４ａ、クランプ回路５ａおよびＳ／Ｈ回路６ａ）の詳細を示す図である。
【０１０３】
図１０Ａより、カラムアンプ４ａは画素部２の信号が一方の端子に入力される入力容量２６（容量値Ｃｉｎ）、入力容量２６の他方の端子がゲートに接続され画素部２からの信号を増幅する増幅Ｔｒ２２、ゲートにカラムアンプバイアス電位が接続され増幅Ｔｒ２２に駆動電流を供給するカラムアンプバイアスＴｒ２３、増幅Ｔｒ２２による信号増幅の大きさを決めるフィードバック容量２７（容量値Ｃｆｂ）、ゲートにカラムアンプリセット信号２９が供給され、増幅Ｔｒ２２のドレイン出力を所定電位に設定するリセット動作を行うカラムアンプリセットＴｒ２４、ゲートにパワーセーブ反転信号４４が供給され、増幅Ｔｒ２２を流れる電流を遮断するカラムアンプパワーセーブＴｒ２５、ゲートに出力選択信号１（３３）が供給され、入力容量２６の増幅Ｔｒ２２側の端子電位をクランプ容量３５のＳ／Ｈ回路６ａ側に接続するカラムアンプ出力選択Ｔｒ１（３１）、ゲートに出力選択信号２（３４）が供給され、入力端子と出力端子を直接接続するカラムアンプ出力選択Ｔｒ２（３２）からなる。
【０１０４】
また、クランプ回路５ａはカラムアンプ４ａから入力されるリセット信号とリード信号の差分すなわち画素信号を求めるクランプ容量３５（容量値Ｃｃｌ）と、ゲートにクランプ信号３８が供給されクランプ容量３５のカラムアンプ４ａとは反対側の端子電位をクランプ電位ＶＣＬに設定するためのクランプＴｒ３６からなる。
【０１０５】
また、パワーセーブ反転信号４４がＨ、出力選択信号１（３３）がＬ、出力選択信号１（３４）がＬのとき、カラムアンプ４ａは画素部２からの信号を増幅しクランプ回路５ａに出力する。このときのゲインＡはＣｉｎ／Ｃｆｂである。
【０１０６】
一方、パワーセーブ反転信号４４がＬ、出力選択信号１（３３）がＨ、出力選択信号１（３４）がＨのとき、画素部２からの信号は直接クランプ回路５ａに出力される。このときのカラムアンプの等価回路を図１０Ｂに示す。図１０Ｂのように入力容量２６とフィードバック容量２７もクランプ容量に並列に接続されており、実効的にクランプ容量３５の容量値が増加したことになる。また、カラムアンプパワーセーブＴｒはオフなので、カラムアンプバイアスＴｒ２３からの電流は遮断されている。
【０１０７】
また、画素回路（図１〜図４）には、画素リセット信号（ＲＳＴ）、電荷転送信号（ＴＲＡＮ）、および、行選択信号（ＳＥＬ）が、列回路、ＭＵＸには、カラムアンプパワーセーブ反転信号４４、カラムアンプリセット信号、出力選択信号１（３３）、出力選択信号２（３４）、クランプ信号３８、Ｓ／Ｈ容量入力信号４１、列選択信号Ｈ［ｎ］が決められたタイミングで供給され、これら各制御信号にそれぞれ対応するトランジスタが開閉（オンオフ）される。
【０１０８】
本固体撮像装置は全画素読み出しモードと画素混合モードを備えている。次にそれぞれの信号読み出し動作を説明する。
【０１０９】
図１１は、全画素読み出しモードにおける画素部２と列回路（カラムアンプ４ａ、クランプ回路５ａ、Ｓ／Ｈ回路６ａ）に供給される各制御信号のタイミングを示す図である。
【０１１０】
パワーセーブ反転信号４４はＨ、出力選択信号１（３３）はＬ、出力選択信号１（３４）はＬのため、カラムアンプは画素部２からの信号を増幅しクランプ回路５ａに出力する。
【０１１１】
タイミングｔ１においては、転送Ｔｒ１１がオフでリセットＴｒ１３はオンであり、ＦＤ１２の電位（以下ではＶｆｄ）はＦＤリセット電位Ｖｆｄｒｓｔ（＝ＶＤＤ）に初期化される。
【０１１２】
タイミングｔ２では転送Ｔｒ１１およびリセットＴｒ１３がオフなので、ＦＤ１２の電位（リセット状態）は保持される。このとき、選択Ｔｒ１５はオンのため増幅Ｔｒ１４と画素電流源Ｔｒ７２がソースフォロア回路を構成し、Ｖｆｄｒｓｔ−Ｖｔｈがリセット電圧として垂直信号線１８に出力される（正確にはＶｆｄｒｓｔ−Ｖｔｈ−αであるが、ここではαは省略）。さらに、このリセット電圧Ｖｆｄｒｓｔ−Ｖｔｈはカラムアンプ４ａに入力される。カラムアンプリセット信号２９がＨなので増幅Ｔｒ２２のゲート−ドレインがショートされ、画素からの信号に依存しない一定電位Ｖｃａｒｓｔになり、クランプ容量３５の一方の端子に出力する。一方、クランプ信号とＳ／Ｈ容量入力信号４１はＨであり、クランプ容量３５の他方の端子ならびにＳ／Ｈ容量４０の電位はＶＣＬに設定される。
【０１１３】
タイミングｔ３では転送Ｔｒ１１がオンとなるため、ＰＤ１０に蓄積された電荷がＦＤ１２に転送され、Ｖｆｄはこの信号電荷量に応じた電圧Ｖｆｄｓｉｇだけ低下しＶｆｄｒｓｔ−Ｖｆｄｓｉｇとなる。
【０１１４】
タイミングｔ４では転送Ｔｒ１１がオフで選択Ｔｒ１５がオンであり、Ｖｆｄｒｓｔ−Ｖｆｄｓｉｇ−Ｖｔｈがリード電圧として垂直信号線１８に出力される。これによりカラムアンプ４ａの入力はＶｆｄｓｉｇだけ変化するので、その出力はＶｆｄｓｉｇ×Ａだけ上昇する（カラムアンプリセット信号はＬでアンプのリセット状態が解除されているからである）。ここでＡ＝Ｃｉｎ／Ｃｆｂである。
【０１１５】
さらに、クランプＴｒはオフなので、クランプ容量３５の他方の端子の電位、すなわちＳ／Ｈ容量４０の電位はＶｆｄｓｉｇ×Ａ×Ｃｃｌ／（Ｃｃｌ＋Ｃｓｈ）だけ上昇する。ここでＣｓｈはＳ／Ｈ容量４０の容量値を示す。
【０１１６】
この電位変化は垂直信号線におけるリセット電圧とリード電圧の差分に対応した電圧、すなわち画素の画素信号であり、タイミングｔ５でＳ／Ｈ入力信号がＬとなりこの画素信号がＳ／Ｈ容量４０に書き込まれる。以上により１行分の画素信号がＳ／Ｈ回路に保持されることになる。
【０１１７】
次に、図１２は全画素読み出しモードにおけるＭＵＸに供給される各制御信号のタイミングを示す図であり、第１の実施形態と同様に列選択信号を順次Ｈにすることにより各列のＳ／Ｈ容量４０の信号が順次出力される。以上より、１行分の画素信号が順次出力される。
【０１１８】
さらに、図１１、図１２の動作を撮像部１の行数だけ繰り返せば、撮像部１全体の信号が読み出されることになる。
【０１１９】
図１３は、画素混合モードにおける画素部２と列回路に供給される各制御信号のタイミングを示す図である。
【０１２０】
パワーセーブ反転信号４４はＬ、出力選択信号１（３３）はＨ、出力選択信号１（３４）はＨのため、カラムアンプ４ａへの入力は増幅されずに直接クランプ回路５ａに出力する。
【０１２１】
タイミングｔ１においては、転送Ｔｒ１１がオフでリセットＴｒ１３はオンであり、ＦＤの電位（以下ではＶｆｄ）はＦＤリセット電位Ｖｆｄｒｓｔ（＝ＶＤＤ）に初期化される。
【０１２２】
タイミングｔ２では転送Ｔｒ１１およびリセットＴｒ１３がオフなので、ＦＤ電位のリセット状態は保持される。このとき、選択Ｔｒ１５はオンのため増幅Ｔｒ１４と画素電流源Ｔｒ７２がソースフォロア回路を構成し、Ｖｆｄｒｓｔ−Ｖｔｈがリセット電圧として垂直信号線に出力される（正確にはＶｆｄｒｓｔ−Ｖｔｈ−αであるが、ここではαは省略）。さらに、このリセット電圧Ｖｆｄｒｓｔ−Ｖｔｈは、クランプ容量３５の一方の端子に入力される。一方、クランプ信号とＳ／Ｈ容量入力信号はＨであり、クランプ容量３５の他方の端子ならびにＳ／Ｈ容量４０の電位はＶＣＬに設定される。
【０１２３】
タイミングｔ３では転送Ｔｒ１１がオンとなるため、ＰＤ１０に蓄積された電荷がＦＤに転送され、Ｖｆｄはこの信号電荷量に応じた電圧Ｖｆｄｓｉｇだけ低下しＶｆｄｒｓｔ−Ｖｆｄｓｉｇとなる。タイミングｔ４では転送Ｔｒ１１がオフで選択Ｔｒ１５がオンであり、Ｖｆｄｒｓｔ−Ｖｆｄｓｉｇ−Ｖｔｈがリード電圧として垂直信号線に出力される。これによりクランプ容量３５の入力はＶｆｄｓｉｇだけ変化する。さらに、クランプＴｒはオフなので、クランプ容量３５の他方の端子の電位、すなわちＳ／Ｈ容量４０の電位はＶｆｄｓｉｇ×（Ｃｉｎ＋Ｃｆｄ＋Ｃｃｌ）／（Ｃｉｎ＋Ｃｆｄ＋Ｃｃｌ＋Ｃｓｈ）だけ低下する。この電位変化は垂直信号線におけるリセット電圧とリード電圧の差分に対応した電圧、すなわち画素信号であり、タイミングｔ５でＳ／Ｈ入力信号がＬとなりこの画素信号がＳ／Ｈ容量４０に書き込まれる。
【０１２４】
以上により１行分の画素信号がＳ／Ｈ回路に保持されることになる。
次に、図１４は画素混合モードにおけるＭＵＸに供給される各制御信号のタイミングを示す図である。第１の実施形態と同様に順次３個ずつ列選択信号をＨにすれば各列のＳ／Ｈ容量４０の信号が順次、加算、出力される。以上より、１行分の画素混合信号が順次出力される。さらに、図１３、図１４の動作を撮像部１の行数だけ繰り返せば、撮像部１全体の混合信号が読み出されることになる。
【０１２５】
以上、説明したように、本発明の第２の実施形態に係る固体撮像装置及びその駆動方法は、全画素読み出しモードではカラムアンプ部４で信号増幅を行うのでカラムアンプ部４以降のノイズの影響が低減する。その結果、高画質・高解像度な静止画撮影が可能になる。一方、画素混合モードではカラムアンプ部４に動作電流が流れないため消費電力を抑えることができ、幅広い環境温度でのモニター画像撮影が可能になる。
【０１２６】
また、列回路で信号増幅は行わないが、水平読み出し部で画素混合を行うためノイズの影響は低減し、高画質が維持できる。さらに、第１の実施形態でのクランプ回路５ａのゲインはＣｃｌ／（Ｃｃｌ＋Ｃｓｈ）であるが、本実施形態では（Ｃｉｎ＋Ｃｆｄ＋Ｃｃｌ）／（Ｃｉｎ＋Ｃｆｄ＋Ｃｃｌ＋Ｃｓｈ）である。例えば、Ｃｃｌ＝Ｃｓｈ＝Ｃｉｎ＝Ｃｆｄ＝１ｐＦとすると、第１の実施形態でのゲインは０．５であるが、本実施形態では０．７５である。このように入力容量２６とフィードバック容量２７をクランプ容量３５として機能させることによりクランプ回路５ａのゲインがあがり、さらにノイズの影響を抑えることができる。
【０１２７】
（第３の実施形態）
図１５は、本発明の第３の実施形態における固体撮像装置の全体構成を示す図である。撮像部１、行選択回路３、カラムアンプ部４、クランプ部５、サンプルホールド（Ｓ／Ｈ）部６、カラムＡＤＣ部４５、デジタル加算部４６から構成される。
【０１２８】
カラムＡＤＣ部４５は列方向に基本単位となるカラムＡＤＣ４５ａが複数個アレイ状に並び、Ｓ／Ｈ部６に保持された行単位のアナログ画素信号をデジタル信号に変換する。
【０１２９】
デジタル加算部４６は列方向に基本単位となるデジタル加算器がアレイ状にならび、カラムＡＤＣ部４５からの出力データの加算を行う。
【０１３０】
撮像部１、カラムアンプ部４、クランプ部５、Ｓ／Ｈ部６の詳細は第１の実施形態あるいは第２の実施形態と同様である。
【０１３１】
図１６はカラムＡＤＣ部４５の詳細を示す。カラムＡＤＣ部４５は、複数個の基本単位となるカラムＡＤＣ４５ａ、ランプ波生成回路４９、およびカウンタ５２を備える。ランプ波生成回路４９およびカウンタ５２は各カラムＡＤＣ４５ａに共通である。各カラムＡＤＣ４５ａは、コンパレータ４８とラッチ５１を含む。コンパレータ４８は、Ｓ／Ｈ回路６ａからの信号を入力しランプ波形と比較を行い、ランプ波形が画素信号よりも低いときにＨを出力する。カウンタ５２は、ランプ波形に同期してカウントアップを行う。ラッチ５１にはカウンタの出力が入力され、コンパレータ４８の比較結果であるラッチ信号がＨからＬに切り替わったときに、カウンタ５２のカウント値を内部に書き込む。
【０１３２】
次に、カラムＡＤＣ４５ａのＡＤ変換動作について図１７Ａのタイミングチャートを参照して説明する。まずタイミングｔ０で画素信号を入力し、ランプ波形は画素信号の最小値に、カウンタ５２は０に設定する。また、ランプ波形は画素信号より低いレベルなのでラッチ信号はＨである。次にタイミングｔ１で、ランプ波形のレベルは上昇し始める。上昇の傾きはタイミングｔ３で画素信号の最大値に達するように設定する。カウンタ５２もランプ波形の上昇に同期させてカウントアップさせる。タイミングｔ２ではランプ波形が画素信号より大きくなるので、ラッチ信号がＬレベルに切り替わり、そのときのカウンタ値がラッチ５１に書き込まれる。先に述べたように、ランプ波形の上昇とカウントアップは同期しているので、ラッチ５１に書き込まれたデジタル値は画素信号に対応した値になっている。以上の動作は各列で並列に行われており、１行分のアナログ画素信号が並列にＡＤ変換され、各列のラッチに保持される。
【０１３３】
本固体撮像装置は全画素読み出しモードと画素混合モードを備えている。次にそれぞれの信号読み出し動作を説明する。
【０１３４】
全画素読み出しモードではまず撮像部１から１行分の画素信号を読み出しカラムアンプ部４で増幅した後にＳ／Ｈ部６に保持する。次に、カラムＡＤＣ部４５で一行分の画素信号をデジタル変換する。最後に図１５には記載されていない出力部を介してこれらのデジタル信号は順次チップ外部に出力する。以上の動作を撮像部１の行数だけ繰り返せば撮像部１全体の信号が出力される。
【０１３５】
画素混合モードでもまず撮像部１から１行分の画素信号を読み出すがカラムアンプ部４で増幅を行わずにＳ／Ｈ回路６に保持する。このときカラムアンプ部４はオフなので電力は消費しない。次に、カラムＡＤＣ部４５で一行分の画素信号をデジタル変換する。続いてデジタル加算部で複数列のデジタル画素信号の加算を行う。最後に図１５には記載されていない出力部を介してこれらのデジタル加算信号は順次チップ外部に出力する。以上の動作を撮像部１の行数だけ繰り返せば撮像部１全体の信号が出力される。
【０１３６】
全画素読み出しモードではカラムアンプで信号増幅を行うのでカラムアンプ部４以降のノイズの影響が低減する。その結果、高画質・高解像度な静止画撮影が可能になる。一方、画素混合モードではカラムアンプ部４に動作電流が流れないため消費電力を抑えることができ、幅広い環境温度での連続画像撮影が可能になる。また、列回路で信号増幅は行わないが、デジタル加算部で画素混合を行うためノイズの影響は低減し、高画質が維持できる。
【０１３７】
なお、ここではデジタル加算部４６で同じ行内の信号を加算したが、複数行の信号を保持して異なる行の信号の加算を行ってもよい。
【０１３８】
また、画素混合モードではカラムアンプ部４で信号増幅を行わないため、信号振幅が小さくなる。そこで図１７Ｂに示すように各カラムＡＤＣ４５ａの入力レンジを小さくしてもよい。図１７Ｂではランプ波形の振幅ならびにカウンタ動作を図１７Ａの半分にしている。これによりＡＤ変換の期間が短くなり、フレームレートがあがるという効果がある。ＡＤ変換でのビット精度は下がるが後段で画素混合を行うことによりビット精度は回復できる。
【０１３９】
（第４の実施形態）
図１８は、本発明の第４の実施形態における固体撮像装置の全体構成を示す図である。撮像部１、行選択回路３、カラムアンプ部４、クランプ部５、サンプルホールド（Ｓ／Ｈ）部６、マルチプレクサ部（ＭＵＸ）７、列選択回路８、出力アンプ９から構成される。
【０１４０】
撮像部１は、光電変換を行う画素部２を２個垂直方向に並べた画素セル５３が２次元状に配置された撮像領域である。ここでは４×２の２次元状に配列された８画素セルの例が示されているが、実際の総画素数は数百万個以上である。
【０１４１】
図１９は列方向に並ぶ複数の画素部２の詳細を示す回路図である。画素セル５３は、初期化時の電圧を増幅したリセット電圧と読み出し時の電圧を増幅したリード電圧とを垂直信号線に出力することを特徴とし、入射した光を光電変換し電荷を出力する２個のフォトダイオードＰＤ１０−１、−２と、ＰＤ１０−１、−２により発生した電荷を蓄積し、蓄積した電荷を電圧信号として出力するフローティングディフュージョン（ＦＤ）１２と、ＦＤ１２の示す電圧が初期電圧（ここではＶＤＤ）になるようにリセットするリセットＴｒ１３と、ＰＤ１０−１、−２により出力される電荷をＦＤ１２に供給する転送Ｔｒ１１−１、−２と、ＦＤ１２の示す電圧に追従して変化する電圧を出力する選択Ｔｒ１５と、行選択回路から行選択信号を受けたときに選択Ｔｒ１５の出力を垂直信号線１８に接続する選択Ｔｒ１５を含む。第１の実施形態では２画素で８個のＴｒを含んでいたが、ここでは２画素で５個のＴｒと部品点数が大幅に低減している。
【０１４２】
図１８の撮像部１以外の詳細は第１の実施形態と同様である。
本固体撮像装置には、全画素読み出しモードと画素混合モードを備えている。次にそれぞれの信号読み出し動作を説明する。
【０１４３】
図２０は、全画素読み出しモードにおける画素部２と列回路に供給される各制御信号のタイミングを示す図である（行１と行２の読み出し部分を記載）。
【０１４４】
パワーセーブ信号はＬ、出力選択信号１（３３）はＨ、出力選択信号１（３４）はＬのため、カラムアンプ４ａは画素信号を増幅しクランプ回路５ａに出力する。タイミングｔ１においては、リセットＴｒ１３はオンであり、ＦＤ１２の電位（以下ではＶｆｄ）はＦＤリセット電位Ｖｆｄｒｓｔ（＝ＶＤＤ）に初期化される。
【０１４５】
タイミングｔ２ではリセットＴｒ１３がオフなので、ＦＤ１２の電位（リセット状態）は保持される。このとき、選択Ｔｒ１５はオンのため増幅Ｔｒ１４と画素電流源Ｔｒ７２がソースフォロア回路を構成し、Ｖｆｄｒｓｔに対応したリセット電圧がカラムアンプ４ａに入力される。
【０１４６】
タイミングｔ３ではＰＤ１０−１側の転送Ｔｒ１１−１がオンとなるため、ＰＤ１０−１に蓄積された電荷がＦＤ１２に転送され、Ｖｆｄはこの信号電荷量に応じた電圧だけ低下する。
【０１４７】
タイミングｔ４では転送Ｔｒ１１−１、−２がオフで選択Ｔｒ１５がオンであり、このＦＤ１２の電位に対応した電位がリード電圧として垂直信号線１８に出力される。リード信号はカラムアンプ４ａで増幅されクランプ回路５ａに入力される。
【０１４８】
クランプ回路５ａではリセット電圧とリード電圧の差分に対応した電圧、すなわち画素信号が検出され、タイミングｔ５ではこの画素信号がＳ／Ｈ容量４０に書き込まれる。以上により行１の画素信号がＳ／Ｈ回路５ａに保持されることになる。Ｓ／Ｈ回路５ａに保持された信号はＭＵＸ部７、出力アンプ９を介して順次チップ外部に出力される。
【０１４９】
次にタイミングｔ６においては、リセットＴｒ１３はオンであり、ＦＤ１２の電位（以下ではＶｆｄ）はＦＤリセット電位Ｖｆｄｒｓｔ（＝ＶＤＤ）に初期化される。
【０１５０】
タイミングｔ７ではリセットＴｒ１３がオフなので、ＦＤの電位（リセット状態）は保持される。このとき、選択Ｔｒ１５はオンのためＶｆｄｒｓｔに対応したリセット電圧がカラムアンプ４ａに入力される。
【０１５１】
タイミングｔ８ではＰＤ１０−２側の転送Ｔｒ１１−２がオンとなるため、ＰＤ１０−２に蓄積された電荷がＦＤ１２に転送され、Ｖｆｄはこの信号電荷量に応じた電圧だけ低下する。
【０１５２】
タイミングｔ９では転送Ｔｒ１１−１、−２がオフで選択Ｔｒ１５がオンであり、このＦＤ電位に対応した電位がリード電圧として垂直信号線１８に出力される。リード信号はカラムアンプ４ａで増幅されクランプ回路５ａに入力される。
【０１５３】
クランプ回路５ａではリセット電圧とリード電圧の差分に対応した電圧、すなわち画素信号が検出され、タイミングｔ１０ではこの画素信号がＳ／Ｈ容量４０に書き込まれる。以上により行２の画素信号がＳ／Ｈ回路に保持されることになる。
【０１５４】
Ｓ／Ｈ回路５ａに保持された信号はＭＵＸ部７、出力アンプ９を介して順次チップ外部に出力される。以上の動作を撮像部１の行数の半分の回数だけ繰り返せば撮像部１全体の信号を出力する。
【０１５５】
図２１は、画素混合モードにおける画素部２と列回路（カラムアンプ４ａ、クランプ回路５ａ、Ｓ／Ｈ回路６ａ）に供給される各制御信号のタイミングを示す図である（行１と行２の読み出し部分を記載）。パワーセーブ信号３０はＨ、出力選択信号１（３３）はＬ、出力選択信号１（３４）はＨのため、カラムアンプ４ａへの入力は増幅されずに直接クランプ回路５ａに出力する。
【０１５６】
タイミングｔ１においては、リセットＴｒ１３はオンであり、ＦＤ１２の電位（以下ではＶｆｄ）はＦＤリセット電位Ｖｆｄｒｓｔ（＝ＶＤＤ）に初期化される。
【０１５７】
タイミングｔ２ではリセットＴｒ１３がオフなので、ＦＤ電位のリセット状態は保持される。このとき、選択Ｔｒ１５はオンのため増幅Ｔｒ１４と画素電流源Ｔｒ７２がソースフォロア回路を構成し、Ｖｆｄｒｓｔに対応したリセット電圧がカラムアンプに入力される。
【０１５８】
タイミングｔ３ではＰＤ１０−１側とＰＤ１０−２側の両方の転送Ｔｒ１１−１、１１−２がオンとなるため、ＰＤ１０−１とＰＤ１０−２に蓄積された電荷がＦＤ１２に転送されＦＤ１２で混合され、Ｖｆｄはこの混合信号電荷量に応じた電圧だけ低下する。
【０１５９】
タイミングｔ４では転送Ｔｒ１１−１、１１−２がオフで選択Ｔｒ１５がオンであり、このＦＤ電位に対応した電位が混合リード電圧として垂直信号線１８に出力される。
【０１６０】
混合リード信号はカラムアンプ４ａで増幅されクランプ回路５ａに入力される。クランプ回路５ａではリセット電圧と混合リード電圧の差分に対応した電圧、すなわち画素混合信号が検出され、タイミングｔ５ではこの画素混合信号がＳ／Ｈ容量４０に書き込まれる。以上により行１の画素混合信号がＳ／Ｈ回路６ａに保持されることになる。Ｓ／Ｈ回路６ａに保持された混合信号はＭＵＸ部７、出力アンプ９を介して順次チップ外部に出力される。以上の動作を撮像部１の行数の半分の回数だけ繰り返せば撮像部１全体の混合信号を出力する。
【０１６１】
全画素読み出しモードではカラムアンプで信号増幅を行うのでカラムアンプ以降のノイズの影響が低減する。その結果、高画質・高解像度な静止画撮影が可能になる。一方、画素混合モードではカラムアンプに動作電流が流れないため消費電力を抑えることができ、幅広い環境温度でのモニター画像撮影が可能になる。また、カラムアンプでの増幅は行われないが画素部２で混合を行うため回路ノイズの影響は低減し、高画質が維持できる。
【０１６２】
なお、ここでは２つのＰＤがリセットＴｒ１３、増幅Ｔｒ１４、選択Ｔｒ１５を共有する２画素１セル構成の場合を示したが、４画素１セルなどより多くの画素をセルとする場合も同様である。
【０１６３】
（第５の実施形態）
図２２は、本発明の第５の実施形態における固体撮像装置の全体構成を示す図である。
【０１６４】
図２２より、撮像部１、行選択回路３、カラムアンプ−クランプ部５４、サンプルホールド（Ｓ／Ｈ）部６、マルチプレクサ（ＭＵＸ）部７、列選択回路８、出力アンプ９から構成される。また、撮像部１は、光電変換を行う画素部２が２次元状に配置された撮像領域である。ここでは４×４の２次元状に配列された１６画素の例が示されている。各列には２本の垂直信号線が配置され、各画素は一行毎に交互に接続されている。カラムアンプ−クランプ部５４は、列毎に設けられた基本単位となるカラムアンプ−クランプ回路５４ａを含む。Ｓ／Ｈ部６は、列毎に設けられた基本単位となるＳ／Ｈ回路６ａを含む。
【０１６５】
図２３は列方向に並ぶ複数の画素部２の詳細を示す回路図である。画素回路は第１の実施形態と同様である。
【０１６６】
また、第１の実施形態と異なる点は、垂直信号線が２本あることであり、行１の画素の選択Ｔｒ１５と行３の画素の選択Ｔｒ１５は垂直信号線１（１８−１）に、行２の画素の選択Ｔｒ１５は垂直信号線２（１８−２）に接続されていることである。
【０１６７】
次に、図２４はカラムアンプ−クランプ回路５４ａ、Ｓ／Ｈ回路６ａからなる列回路の詳細を示す図である。
【０１６８】
図２４より、列回路は垂直信号線１もしくは２から供給される画素部２からの信号を一時保持した後にＭＵＸ部７に出力する機能と、垂直信号線１と２から供給される画素部２からの信号を混合した後に一時保持し、ＭＵＸ部７に出力する機能を有し、これらの機能は切り替え可能である。
【０１６９】
また、カラムアンプ−クランプ回路５４ａは一方の端子に画素部２からの信号が入力される入力容量２６（容量値Ｃｉｎ）、入力容量２６の他方の端子がゲートに接続され画素からの信号を増幅する増幅Ｔｒ２２、ゲートにカラムアンプバイアス電位が接続され増幅Ｔｒ２２に駆動電流を供給するカラムアンプバイアスＴｒ２３、増幅Ｔｒ２２による信号増幅の大きさを決めるフィードバック容量２７（容量値Ｃｆｂ）、ゲートにカラムアンプリセット信号２９が供給され、カラムアンプ−クランプ回路５４ａの出力を所定電位に設定するリセット動作を行うカラムアンプリセットＴｒ２４、ゲートにパワーセーブ反転信号４４が供給され、増幅Ｔｒ２２を流れる電流を遮断するカラムアンプパワーセーブＴｒ２５、カラムアンプ−クランプ回路５４ａの出力を入力しリセット信号とリード信号の差分すなわち画素信号を求めるクランプ容量３５（容量値Ｃｃｌ）と、ゲートにクランプ信号が供給されクランプ容量３５のカラムアンプ−クランプ回路５４ａとは反対側の端子電位をクランプ電位ＶＣＬに設定するためのクランプＴｒ３６、垂直信号線１と２の信号を選択的に入力容量２６に接続する切り替えＴｒ５５−１、切り替えＴｒ５５−２、垂直信号線２の信号をフィードバック容量２７に接続する切り替えＴｒ５５−３、入力容量２６の画素部２とは反対側の端子をクランプ容量３５のカラムアンプ−クランプ回路とは反対側に接続する切り替えＴｒ５５−４、垂直信号線１の信号をクランプ容量３５に接続する切り替えＴｒ５５−５、増幅Ｔｒの出力をクランプ容量３５に接続する切り替えＴｒ５５−６からなる。以下、切り替え信号５６−１から５６−６は単に切り替え信号１から６と略記する。
【０１７０】
次に、図２５Ａは、全画素読み出しモードにおける図２４の列回路の等価回路を示す図である。図２５Ｂは、垂直混合モードにおける図２４の列回路の等価回路を示す図である。
【０１７１】
すなわち、パワーセーブ反転信号４４がＨ、切り替え信号１と２は交互にＨ、切り替え信号３、４、５はＬ、切り替え信号６はＨ固定にすれば列回路は図２５Ａの構成と等価になり、垂直信号線１と２の信号が交互にカラムアンプ−クランプ回路に供給され、増幅された画素信号はＳ／Ｈ容量４０に保持される。
【０１７２】
また、パワーセーブ反転信号４４がＬ、切り替え信号１がＬ固定、切り替え信号２、３、４、５がＨ、切り替え信号６がＬ固定にすれば列回路は図２５Ｂと等価になり垂直信号線１８−１とＳ／Ｈ容量４０の間にクランプ容量３５、垂直信号線１８−２とＳ／Ｈ容量４０の間に入力容量２６とフィードバック容量２７が配置されることになる。
【０１７３】
その結果、入力容量２６とフィードバック容量２７は垂直信号線２の信号に対するクランプ容量として機能し、垂直信号線１と２の信号が混合されてＳ／Ｈ容量４０に書き込まれることになる。なお、この設定のときはカラムアンプ増幅Ｔｒ２２の電流は遮断されている。
【０１７４】
また、図２５Ａ、図２５Ｂより、画素部２、列回路には、画素リセット信号（ＲＳＴ）、電荷転送信号（ＴＲＡＮ）、および、行選択信号（ＳＥＬ）が、列回路には、カラムアンプパワーセーブ反転信号４４、カラムアンプリセット信号２９、切り替え信号１から６、クランプ信号３８、Ｓ／Ｈ容量入力信号４１が決められたタイミングで供給され、これら各制御信号にそれぞれ対応するトランジスタが開閉（オンオフ）される。
【０１７５】
また、本発明の第５の実施形態に係る固体撮像装置は、全画素読み出しモードと画素混合モードを備えている。
【０１７６】
以下、図面を参照しながら次にそれぞれの信号読み出し動作を説明する。
まず、図２６は、全画素読み出しモードにおける画素部２と列回路に供給される各制御信号のタイミングを示す図である（行１と行２の読み出し部分を記載）。パワーセーブ反転信号４４がＨ、切り替え信号１と２は交互にＨ、切り替え信号３、４、５はＬ、切り替え信号６はＨ固定のため、垂直信号線１あるいは２の信号がカラムアンプ−クランプ回路５４ａで増幅されＳ／Ｈ容量４０に保持される。
【０１７７】
タイミングｔ１においては、行１のリセットＴｒ１３はオンであり、行１のＦＤ１２の電位（以下ではＶｆｄ）はＦＤリセット電位Ｖｆｄｒｓｔ（＝ＶＤＤ）に初期化される。
【０１７８】
タイミングｔ２では行１のリセットＴｒ１３がオフなので、行１のＦＤ電位のリセット状態は保持される。このとき、行１の選択Ｔｒ１５はオンのため行１の増幅Ｔｒ１４と画素電流源Ｔｒ７２がソースフォロア回路を構成し、また選択Ｔｒ１５がオンのため、Ｖｆｄｒｓｔに対応したリセット電圧が垂直信号線１を介してカラムアンプ−クランプ回路に入力される。
【０１７９】
タイミングｔ３では行１の転送Ｔｒ１１がオンとなるため、行１のＰＤ１０に蓄積された電荷がＦＤに転送され、Ｖｆｄはこの信号電荷量に応じた電圧だけ低下する。
【０１８０】
タイミングｔ４では行１の転送Ｔｒ１１がオフで行１の選択Ｔｒ１５がオンであり、このＦＤ電位に対応した電位がリード電圧として垂直信号線１に出力される。
【０１８１】
リード信号はカラムアンプ−クランプ回路５４ａで増幅され、さらにリセット電圧とリード電圧の差分に対応した電圧、すなわち行１の画素信号が検出され、タイミングｔ５ではこの行１の画素信号がＳ／Ｈ容量４０に書き込まれる。以上により行１の画素信号がＳ／Ｈ回路に保持されることになる。Ｓ／Ｈ回路に保持された行１の画素信号はＭＵＸ、出力アンプを介して順次チップ外部に出力される。
【０１８２】
次にタイミングｔ６においては、行２のリセットＴｒ１３はオンであり、行２のＦＤの電位（以下ではＶｆｄ）はＦＤリセット電位Ｖｆｄｒｓｔ（＝ＶＤＤ）に初期化される。
【０１８３】
タイミングｔ７では行２のリセットＴｒ１３がオフなので、行２のＦＤ電位のリセット状態は保持される。このとき、行２に選択Ｔｒ１５はオン、切り替え信号２はオンのためＶｆｄｒｓｔに対応したリセット電圧がカラムアンプ−クランプ回路５４ａに入力される。
【０１８４】
タイミングｔ８では行２の転送Ｔｒ１１がオンとなるため、行２のＰＤ１０に蓄積された電荷が行２にＦＤに転送され、Ｖｆｄはこの信号電荷量に応じた電圧だけ低下する。
【０１８５】
タイミングｔ９では行２の転送Ｔｒ１１がオフで行２の選択Ｔｒ１５がオンであり、このＦＤ電位に対応した電位がリード電圧として垂直信号線２に出力される。
【０１８６】
リード信号はカラムアンプ−クランプ回路５４ａで増幅され、さらにリセット電圧とリード電圧の差分に対応した電圧、すなわち行２の画素信号が検出され、タイミングｔ１０ではこの行２の画素信号がＳ／Ｈ容量４０に書き込まれる。
【０１８７】
以上により行２の画素信号がＳ／Ｈ回路６ａに保持されることになる。Ｓ／Ｈ回路６ａに保持された信号はＭＵＸ部７、出力アンプ９を介して順次チップ外部に出力される。図２６の動作を撮像部１の行数の半分の回数だけ繰り返せば撮像部１全体の信号を出力する。
【０１８８】
次に、図２７は、画素混合モードにおける画素部２と列回路に供給される各制御信号のタイミングを示す図である（行１と行２の読み出し部分を記載）。
【０１８９】
図２７より、パワーセーブ反転信号４４がＬ、切り替え信号１がＬ固定、切り替え信号２、３、４、５がＨ、切り替え信号６がＬ固定のため、カラムアンプ−クランプ回路５４ａによる増幅は行われないが、垂直信号線１と２の信号が混合されてＳ／Ｈ容量４０に書き込まれることになる。
【０１９０】
タイミングｔ１においては、行１と２のリセットＴｒ１３はオンであり、行１と２のＦＤの電位（以下ではＶｆｄ）はＦＤリセット電位Ｖｆｄｒｓｔ（＝ＶＤＤ）に初期化される。
【０１９１】
タイミングｔ２では行１と２のリセットＴｒ１３がオフなので、行１と２のＦＤ電位のリセット状態は保持される。このとき、行１と２の選択Ｔｒ１５はオンのため増幅Ｔｒ１４と画素電流源Ｔｒ７２がソースフォロア回路を構成し、行１のＶｆｄｒｓｔに対応したリセット電圧が垂直信号線１を介してクランプ容量３５に、行２のＶｆｄｒｓｔに対応したリセット電圧が垂直信号線２を介して入力容量２６とフィードバック容量２７に入力される。
【０１９２】
タイミングｔ３では行１と２の転送Ｔｒ１１がオンとなるため、行１と２に蓄積された電荷がそれぞれＦＤに転送され、Ｖｆｄはこの信号電荷量に応じた電圧だけ低下する。
【０１９３】
タイミングｔ４では行１と２の転送Ｔｒ１１がオフで行１と２の選択Ｔｒ１５がオンであり、行１のＦＤ電位に対応した電位がリード電圧として垂直信号線１を介してクランプ容量３５に、行２のＦＤ電位に対応した電位がリード電圧として垂直信号線２を介して入力容量２６とフィードバック容量２７に入力される。
【０１９４】
このとき行１のリセット電圧とリード電圧の差分に対応した電圧、すなわち行１の画素信号と、行２のリセット電圧とリード電圧の差分に対応した電圧、すなわち行２の画素信号との混合信号が検出され、タイミングｔ５ではＳ／Ｈ容量４０に書き込まれる。
【０１９５】
以上により行１と行２の画素混合信号がＳ／Ｈ回路６ａに保持されることになる。Ｓ／Ｈ回路６ａに保持された画素混合信号はＭＵＸ部７、出力アンプ９を介して順次チップ外部に出力される。図２７の動作を撮像部１の行数の半分の回数だけ繰り返せば撮像部１全体の混合信号を出力する。
【０１９６】
以上、説明したように、本発明の第５の実施形態に係る固体撮像装置は、全画素読み出しモードではカラムアンプ−クランプ回路５４ａで信号増幅を行うので、カラムアンプ−クランプ回路５４ａ以降のノイズの影響が低減する。その結果、高画質・高解像度な静止画撮影が可能になる。一方、画素混合モードではカラムアンプ−クランプ回路５４ａに動作電流が流れないため消費電力を抑えることができ、幅広い環境温度でのモニター画像撮影が可能になる。
【０１９７】
また、カラムアンプ−クランプ回路５４ａでの増幅は行われないが列回路で信号混合を行うため回路ノイズの影響は低減し、高画質が維持できる。さらに、撮像部１から２行分の信号を同時に読み出すためフレームレートが向上できるという効果もある。
【０１９８】
（第６の実施形態）
図２８は、本発明の第６の実施形態におけるカメラ（撮像装置）の構成を示す図である。
【０１９９】
図２８より、入力された光画像情報を電気信号に変換する固体撮像装置５８、固体撮像装置５８から検出された画素信号に対しノイズ低減処理およびカラー信号処理を行いカラー画像を生成するデジタル信号処理プロセッサ（ＤＳＰ）５９、カラー画像を記憶する半導体メモリ素子などの記録メディア６０、モニター画像を表示し電子ファインダとして機能する液晶ディスプレイ６１、固体撮像装置５８、ＤＳＰ６１などを制御するシステムコントローラ６２、メモリ６３からなる。
【０２００】
また、固体撮像装置５８の構成は第１から第５の実施形態のいずれかである（アナログ出力の固体撮像装置を適用する場合は外部にＡＤＣを付加するがここでは省略している）。
【０２０１】
図２９に本発明の第６の実施形態におけるカメラ（撮像装置）の撮像動作のフローチャートを示す。
【０２０２】
まず、ステップＳ１ではモニターモードの設定を行う。固体撮像装置はカラムアンプをオフにするとともに画素混合をオンにし、ＤＳＰはモニターモードに対応した設定を行う。
【０２０３】
ステップＳ２では固体撮像装置でモニター画像を撮像し液晶ディスプレイに表示する。
ステップＳ３ではカメラの使用者がシャッターを押したかどうかを判定する。押してない場合は、ステップＳ２に戻り再度モニター画像撮像、表示を行う。
【０２０４】
押している場合はステップＳ４で静止画撮像モードを設定する。固体撮像装置はカラムアンプオフ、画素混合オフにし、ＤＳＰは静止画に対応した設定を行う。
【０２０５】
ステップＳ５では固体撮像装置で静止画を撮影し、ステップＳ６ではＤＳＰにおいてノイズ低減処理およびカラー画像処理をし、ステップＳ７では画像処理されたカラー画像を記録メディアに記録する。
【０２０６】
ステップＳ６の画像処理のうちのノイズ低減処理をステップＳ６１〜Ｓ６２に示す。ここでは、メモリ６３は、固体撮像装置５８の撮像部中のノイズを常に発生させる画素部の位置を示す欠陥画素データを記憶しているものとする。この欠陥画素データは、例えば、工場出荷時や点検時に設定される。
【０２０７】
ステップＳ６１において、ＤＳＰ５９はメモリに記憶された欠陥画素データを読み出す。ステップＳ６２において、ＤＳＰ５９は、固体撮像装置５８により撮像された画像において、欠陥画素データが示す位置に対応する画素データを補間する。この補間により、固体撮像装置５８の撮像部に固有の格子欠陥等に起因する白キズとなる画素信号を除去して、画質を向上させることができる。
【０２０８】
さらに、ステップＳ６３において、ＤＳＰ５９は、さらに、画像に対してフィルター処理を施すことよりノイズを低減する。固体撮像装置内部で後発的に発生したノイズによる画質劣化を目立たなくすることができる。
【０２０９】
本発明の第６の実施形態において、モニター画像撮像時はカラムアンプオフなので電力は消費せず、環境温度によらず長時間電子ファインダが使用できる。またカメラの液晶ディスプレイの解像度に応じて画素混合を行っているのでカラムアンプオフでも大きな画像劣化はない。また、電力低減によりＰＤリーク電流起因の画素欠陥のレベルは低減する。さらに画素混合により欠陥レベルはさらに低減し、結果として補間処理すべき欠陥画素数は大幅に低減する。補間処理の処理量は欠陥数に比例するため、これはフレームレートを維持しながら十分な補間処理を実行することが容易になることを意味する。
【０２１０】
一方、静止画撮影時はカラムアンプオンなので高解像度で高画質な撮影が可能になる。
【０２１１】
このときはカラムアンプで電力を消費するが、静止画撮影は最大で連続１０枚程度なので問題とはならない。
【産業上の利用可能性】
【０２１２】
本発明に係る固体撮像装置はデジタル一眼レフカメラ、デジタル一眼カメラ、高級コンパクトカメラなど高画質、高機能が求められる撮像機器向けイメージセンサとして有用である。
【図面の簡単な説明】
【０２１３】
【図１】本発明の第１の実施形態における固体撮像装置の全体構成を示す図である。
【図２】本発明の第１の実施形態における固体撮像装置の画素部の構成を示す図である。
【図３Ａ】本発明の第１の実施形態におけるカラムアンプの第１例を示す図である。
【図３Ｂ】本発明の第１の実施形態におけるカラムアンプの第２例を示す図である。
【図３Ｃ】本発明の第１の実施形態におけるカラムアンプの第３例を示す図である。
【図４】本発明の第１の実施形態における固体撮像装置の列回路の構成を示す図である。
【図５Ａ】本発明の第１の実施形態における固体撮像装置のマルチプレクサ周辺の構成を示す図である。
【図５Ｂ】本発明の第１の実施形態におけるＳ／Ｈ回路およびＭＵＸ回路の変形例を示す図である。
【図６】本発明の第１の実施形態における固体撮像装置の全画素読み出しモードの垂直読み出しに関する各制御信号のタイミングを示す図である。
【図７】本発明の第１の実施形態における固体撮像装置の全画素読み出しモードの水平読み出しに関する各制御信号のタイミングを示す図である。
【図８】本発明の実施形態における固体撮像装置の画素混合モードの垂直読み出しに関する各制御信号のタイミングを示す図である。
【図９】本発明の実施形態における固体撮像装置の画素混合モードの水平読み出しに関する各制御信号のタイミングを示す図である。
【図１０Ａ】本発明の第２の実施形態における固体撮像装置の列回路の構成を示す図である。
【図１０Ｂ】本発明の第２の実施形態におけるカラムアンプがオフの場合の図１０Ａの等価回路を示す図である。
【図１１】本発明の第２の実施形態における固体撮像装置の全画素読み出しモードの垂直読み出しに関する各制御信号のタイミングを示す図である。
【図１２】本発明の第２の実施形態における固体撮像装置の全画素読み出しモードの水平読み出しに関する各制御信号のタイミングを示す図である。
【図１３】本発明の第２の実施形態における固体撮像装置の画素混合モードの垂直読み出しに関する各制御信号のタイミングを示す図である。
【図１４】本発明の第２の実施形態における固体撮像装置の画素混合モードの水平読み出しに関する各制御信号のタイミングを示す図である。
【図１５】本発明の第３の実施形態における固体撮像装置の全体構成を示す図である。
【図１６】本発明の第３の実施形態における固体撮像装置のカラムアンプ部の構成を示す図である。
【図１７Ａ】本発明の第３の実施形態における固体撮像装置のカラムＡＤＣの動作を示す図である。
【図１７Ｂ】本発明の第３の実施形態における固体撮像装置のカラムＡＤＣの入力レンジを小さくしたときの動作を示す図である。
【図１８】本発明の第４の実施形態における固体撮像装置の全体構成を示す図である。
【図１９】本発明の第４の実施形態における固体撮像装置の画素部の構成を示す図である。
【図２０】本発明の第４の実施形態における固体撮像装置の全画素読み出しモードの垂直読み出しに関する各制御信号のタイミングを示す図である。
【図２１】本発明の第４の実施形態における固体撮像装置の画素混合モードの垂直読み出しに関する各制御信号のタイミングを示す図である。
【図２２】本発明の第５の実施形態における固体撮像装置の全体構成を示す図である。
【図２３】本発明の第５の実施形態における固体撮像装置の画素部の構成を示す図である。
【図２４】本発明の第５の実施形態における固体撮像装置の列回路の構成を示す図である。
【図２５Ａ】本発明の第５の実施形態における列回路の全画素読み出しモードにおける等価回路を示す図である。
【図２５Ｂ】本発明の第５の実施形態における列回路の画素混合モードにおける等価回路を示す図である。
【図２６】本発明の第５の実施形態における固体撮像装置の全画素読み出しモードの垂直読み出しに関する各制御信号のタイミングを示す図である。
【図２７】本発明の第５の実施形態における固体撮像装置の画素混合モードの垂直読み出しに関する各制御信号のタイミングを示す図である。
【図２８】第６の実施形態におけるカメラ（撮像装置）の構成を示す図である。
【図２９】第６の実施形態におけるカメラ（撮像装置）の撮像動作のフローチャートを示す図である。
【図３０】従来技術における固体撮像装置の全体構成を示す図である。
【符号の説明】
【０２１４】
１  撮像部
２  画素部
３  行選択回路
４  カラムアンプ部
５  クランプ部
６  Ｓ／Ｈ部
７  マルチプレクサ部
８  列選択回路
９  出力アンプ
１０  フォトダイオード（ＰＤ）
１１  転送トランジスタ
１２  フローティングディフュージョン（ＦＤ）
１３  リセットトランジスタ
１４  増幅トランジスタ
１５  選択トランジスタ
１６  電源
１７  グランド
１８  垂直信号線
１９  画素リセット信号
２０  電荷転送信号
２１  行選択信号
２２  カラムアンプ増幅トランジスタ
２３  カラムアンプバイアストランジスタ
２４  カラムアンプリセットトランジスタ
２５  カラムアンプパワーセーブトランジスタ
２６  入力容量
２７  フィードバック容量
２８  カラムアンプバイアス電位
２９  カラムアンプリセット信号
３０  カラムアンプパワーセーブ信号
３１  カラムアンプ出力選択トランジスタ１
３２  カラムアンプ出力選択トランジスタ２
３３  カラムアンプ出力選択信号１
３４  カラムアンプ出力選択信号２
３５  クランプ容量
３６  クランプトランジスタ
３７  クランプ電位
３８  クランプ信号
３９  Ｓ／Ｈ容量入力トランジスタ
４０  Ｓ／Ｈ容量
４１  Ｓ／Ｈ容量入力信号
４２  列選択トランジスタ
４３  水平共通信号線
７２  画素電流源Ｔｒ
７３  画素電流源バイアス電位
【図１】
2010147614.tif 000003
【図２】
2010147614.tif 000004
【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図３Ｃ】
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【図４】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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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１０Ａ】
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【図１０Ｂ】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７Ａ】
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【図１７Ｂ】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５Ａ】
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【図２５Ｂ】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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