(57)【要約】【課題】  撮像装置あるいは撮像システムの規模を大きくすることなく、画質を向上することができる。【解決手段】  本発明に係る実施例は、複数の光電変換部を有する撮像装置の駆動方法である。本実施例の駆動方法は、光電変換部のそれぞれにおいて、第１の時刻から第２の時刻までの期間に生じた電荷を、少なくとも２つの電荷受領部に並行して転送するステップを含む。そして、ある１つの電荷受領部において、複数の光電変換部から転送されてきた電荷が加算される。【選択図】  図１
2014022822.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の光電変換部を有する撮像装置の駆動方法であって、
前記光電変換部において第１の時刻から第２の時刻までの期間に生じた電荷を、複数の電荷受領部に並行して転送する電荷転送ステップを含み、
前記複数の光電変換部のそれぞれについて前記電荷転送ステップを行うことで、前記複数の電荷受領部の少なくとも１つにおいて前記電荷転送ステップによって互いに別の光電変換部から転送されてきた電荷を加算することを特徴とする撮像装置の駆動方法。
【請求項２】
前記複数の電荷受領部のそれぞれにおいて、前記電荷転送ステップによって互いに別の光電変換部から転送されてきた電荷を加算することによって、移動平均処理を行うことを特徴とする請求項１に記載の撮像装置の駆動方法。
【請求項３】
前記複数の電荷受領部のそれぞれにおいて、前記電荷転送ステップによって互いに別の光電変換部から転送されてきた電荷を加算し、
前記複数の電荷受領部のそれぞれにおいて加算された電荷に基づく複数の信号を出力するステップを含み、
前記複数の光電変換部の第１方向に沿ったピッチと、前記複数の信号の信号重心の前記第１方向に沿ったピッチとが等しいことを特徴とする請求項１に記載の撮像装置の駆動方法。
【請求項４】
前記複数の信号の前記信号重心の位置は、前記複数の光電変換部の重心の中点であることを特徴とする請求項３に記載の撮像装置の駆動方法。
【請求項５】
前記複数の電荷受領部のそれぞれにおいて、前記電荷転送ステップによって互いに別の光電変換部から転送されてきた電荷が加算され、
前記複数の電荷受領部のそれぞれにおいて加算された電荷に基づく複数の信号を出力するステップを含み、
前記複数の光電変換部の第１方向に沿ったピッチと、前記複数の信号の前記第１方向に沿ったサンプリングピッチとが等しいことを特徴とする請求項１に記載の撮像装置の駆動方法。
【請求項６】
前記複数の信号、あるいは前記移動平均処理によって得られた複数の信号を用いて補完処理を行うことを特徴とする請求項２乃至請求項５のいずれか一項に記載の撮像装置の駆動方法。
【請求項７】
前記複数の電荷受領部は、少なくとも第１の電荷受領部と第２の電荷受領部とを含み、
前記第１の電荷受領部および前記第２の電荷受領部のそれぞれにおいて、前記電荷を転送するステップで互いに別の光電変換部から転送されてきた電荷が加算され、
前記第１の電荷受領部において加算された電荷に基づく信号と、前記第２の電荷受領部において加算された電荷に基づく信号とを用いて位相差検出を行うことを特徴とする請求項１に記載の撮像装置の駆動方法。
【請求項８】
前記複数の光電変換部のうちの第１の光電変換部の電荷が、前記第１の電荷受領部および前記第２の電荷受領部へ並行して転送され、前記複数の光電変換部のうちの第２の光電変換部の電荷が、前記第１の電荷受領部および前記第２の電荷受領部へ並行して転送されることを特徴とすることを特徴とする請求項７に記載の撮像装置の駆動方法。
【請求項９】
前記撮像装置は、前記光電変換部と前記複数の電荷受領部のそれぞれとの間の電気経路に配された複数の転送トランジスタを有し、
前記複数の転送トランジスタのそれぞれが、前記光電変換部から前記複数の電荷受領部のうち対応する電荷受領部へ電荷を転送し、
前記複数の転送トランジスタを並行してオンすることで、前記電荷転送ステップを行うことを特徴とする請求項１乃至請求項８のいずれか一項に記載の撮像装置の駆動方法。
【請求項１０】
前記第２の時刻が、前記複数の転送トランジスタがオンする時刻であることを特徴とする請求項９に記載の撮像装置の駆動方法。
【請求項１１】
前記複数の電荷受領部のそれぞれが少なくとも１つのフローティングディフュージョン領域を含んで構成されることを特徴とする請求項１乃至請求項１０のいずれか一項に記載の撮像装置の駆動方法。
【請求項１２】
前記複数の光電変換部に対して複数の色のカラーフィルタが配され、
前記複数の電荷受領部のそれぞれが複数の前記フローティングディフュージョン領域を含んで構成され、
前記複数の光電変換部のうち同じ色のカラーフィルタが配された複数の光電変換部からの電荷を加算することを特徴とする請求項１１に記載の撮像装置の駆動方法。
【請求項１３】
前記複数の光電変換部のうち少なくとも１つの光電変換部について、前記複数の電荷受領部の前記少なくとも１つとは別の１つが電荷の排出ノードであることを特徴とする請求項１乃至請求項１２のいずれか一項に記載の撮像装置の駆動方法。
【請求項１４】
前記複数の光電変換部のうち、撮像領域の外周に配された光電変換部の電荷が、前記排出ノードに排出されることを特徴とする請求項１３に記載の撮像装置の駆動方法。
【請求項１５】
前記電荷転送ステップを含む第１のモードと、
前記複数の光電変換部のそれぞれから１つの電荷受領部にのみ電荷を転送するステップを含む第２のモードと、を切り替えることを特徴とする請求項１乃至請求項１４のいずれか一項に記載の撮像装置の駆動方法。
【請求項１６】
露光を行うステップを含み、
前記第１の時刻が前記複数の光電変換部のそれぞれにおける１回の露光期間の開始の時刻であり、前記第２の時刻が前記複数の光電変換部のそれぞれにおける前記１回の露光期間の終了の時刻であることを特徴とする請求項１乃至請求項１５のいずれか一項に記載の撮像装置の駆動方法。
【請求項１７】
前記露光はグローバルシャッタによる露光であることを特徴とする請求項１６に記載の撮像装置の駆動方法。
【請求項１８】
前記露光はローリングシャッタによる露光であることを特徴とする請求項１６に記載の撮像装置の駆動方法。
【請求項１９】
前記撮像装置は、
前記複数の電荷受領部のそれぞれにおいて加算された電荷に基づく複数の信号を出力する複数の増幅トランジスタと、
前記複数の増幅トランジスタからの複数の信号が出力される出力線と、
前記複数の増幅トランジスタのそれぞれと、前記出力線との間の電気経路に配された複数の保持容量と、
を有し、
前記駆動方法が、前記複数の保持容量に保持された複数の信号を前記出力線に順次出力するステップを含むことを特徴とする請求項１乃至請求項１８のいずれか一項に記載の撮像装置の駆動方法。
【請求項２０】
複数の光電変換部を有する撮像装置の駆動方法であって、
前記光電変換部において第１の時刻から第２の時刻までの期間に生じた電荷を、複数のフローティングディフュージョン領域に並行して転送する電荷転送ステップを含み、
前記複数の光電変換部のそれぞれについて前記電荷転送ステップを行うことで、前記複数のフローティングディフュージョン領域の少なくとも１つにおいて前記電荷転送ステップによって互いに別の光電変換部から転送されてきた電荷を加算することを特徴とする撮像装置の駆動方法。
【請求項２１】
複数の光電変換部を有する撮像装置と、前記撮像装置から出力される信号を処理する信号処理装置とを備えた撮像システムの駆動方法であって、
前記光電変換部において第１の時刻から第２の時刻までの期間に生じた電荷を、複数の電荷受領部に並行して転送する電荷転送ステップ、を含み、
前記複数の光電変換部のそれぞれについて前記電荷転送ステップを行うことで、前記複数の電荷受領部の少なくとも１つにおいて前記電荷転送ステップによって互いに別の光電変換部から転送されてきた電荷を加算することを特徴とする撮像システムの駆動方法。
【請求項２２】
複数の光電変換部と、
前記複数の光電変換部のそれぞれに対応して配された転送部と、
前記転送部を制御する制御部と、を含む撮像装置であって、
前記転送部は、前記光電変換部において第１の時刻から第２の時刻までの期間に生じた電荷を、複数の電荷受領部に分配し、
前記複数の電荷受領部の少なくとも１つにおいて、互いに別の光電変換部から分配されてきた電荷が加算されるように、前記制御部が前記複数の光電変換部のそれぞれに対応して配された前記転送部を制御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】
本発明は撮像装置の駆動方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１で提案された撮像装置では、２つの出力回路が、互いに行方向および列方向に１個分のフォトダイオードの配置ピッチだけずれて配されている。そして、それぞれの出力回路が、その周囲の４個分のフォトダイオードの信号電荷を混合することが開示されている。このような構成により、光学ローパスフィルタが不要になるとされている。
また、特許文献２に記載の撮像装置では、共有されたフォトダイオードに４つの転送トランジスタが接続され、当該１つの光電変換部の電荷が同時に４つの拡散領域に転送される。そして、特許文献２の図６には、隣り合う画素から得られた値を情報処理ブロックで加算することで、画素サイズを大きくし解像度を落とすが、画質を向上させることの開示がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００６−２７０６５８号公報
【特許文献２】米国特許公開公報２０１０／０１３３５９０号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献１に記載の駆動方法では、ある期間にフォトダイオードで得られた電荷を一方の出力回路に転送し、それに続く別の期間にフォトダイオードで得られた電荷を他方の出力回路に転送している。しかし、このような駆動によれば異なる露光期間の信号が合成されることになるため、画質が低下する可能性がある。特に、高速で移動する被写体を撮像する場合には、画質の低下が顕著になりやすい。
特許文献２では、情報処理ブロックでの加算を行うため、回路規模が大きくなりやすい。つまり、撮像装置あるいは撮像システムの小型化が困難である。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明の１つの側面に係る実施形態である撮像装置の駆動方法は、複数の光電変換部を有する撮像装置の駆動方法であって、前記光電変換部において第１の時刻から第２の時刻までの期間に生じた電荷を、複数の電荷受領部に並行して転送する電荷転送ステップを含み、前記複数の光電変換部のそれぞれについて前記電荷転送ステップを行うことで、前記複数の電荷受領部の少なくとも１つにおいて前記電荷転送ステップによって互いに別の光電変換部から転送されてきた電荷を加算することを特徴とする。
【０００６】
本発明の別の側面に係る実施形態である撮像装置の駆動方法は、複数の光電変換部を有する撮像装置の駆動方法であって、前記光電変換部において第１の時刻から第２の時刻までの期間に生じた電荷を、複数のフローティングディフュージョン領域に並行して転送する電荷転送ステップを含み、前記複数の光電変換部のそれぞれについて前記電荷転送ステップを行うことで、前記複数のフローティングディフュージョン領域の少なくとも１つにおいて前記電荷転送ステップによって互いに別の光電変換部から転送されてきた電荷を加算することを特徴とする。
【０００７】
本発明の別の側面に係る実施形態である撮像システムの駆動方法は、複数の光電変換部を有する撮像装置と、前記撮像装置から出力される信号を処理する信号処理装置とを備えた撮像システムの駆動方法であって、前記光電変換部において第１の時刻から第２の時刻までの期間に生じた電荷を、複数の電荷受領部に並行して転送する電荷転送ステップ、を含み、前記複数の光電変換部のそれぞれについて前記電荷転送ステップを行うことで、前記複数の電荷受領部の少なくとも１つにおいて前記電荷転送ステップによって互いに別の光電変換部から転送されてきた電荷を加算することを特徴とする。
【０００８】
本発明の別の側面に係る実施形態である撮像装置は、複数の光電変換部と、前記複数の光電変換部のそれぞれに対応して配された転送部と、前記転送部を制御する制御部と、を含む撮像装置であって、前記転送部は、前記光電変換部において第１の時刻から第２の時刻までの期間に生じた電荷を、複数の電荷受領部に分配し、前記複数の電荷受領部の少なくとも１つにおいて、互いに別の光電変換部から分配されてきた電荷が加算されるように、前記制御部が前記複数の光電変換部のそれぞれに対応して配された前記転送部を制御することを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、撮像装置あるいは撮像システムの規模を大きくすることなく、画質を向上することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明に係る実施例の要部を説明するための概念図。
【図２】実施例１乃至実施例９に係る撮像装置の構成を示す概略図。
【図３】実施例１乃至実施例３に係る撮像装置の等価回路を示す図。
【図４】移動平均処理について説明するための図。
【図５】実施例１に係る撮像装置の画素のレイアウトを示す模式図。
【図６】実施例１乃至実施例３の駆動信号を示す図。
【図７】実施例２に係る撮像装置の撮像領域を示す模式図。
【図８】実施例３に係る撮像装置の撮像領域を示す模式図。
【図９】実施例４に係る撮像装置の信号処理部の等価回路を示す図。
【図１０】実施例４の駆動信号を示す図
【図１１】実施例５に係る撮像装置の等価回路を示す図。
【図１２】実施例６に係る撮像装置の等価回路を示す図。
【図１３】実施例７に係る撮像装置の等価回路を示す図。
【図１４】実施例８に係る撮像装置の等価回路を示す図。
【図１５】本発明に係る実施例の撮像システムのブロック図。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
本発明に係る１つの実施例は、複数の光電変換部を有する撮像装置の駆動方法である。本実施例の駆動方法は、１つの光電変換部において第１の時刻から第２の時刻までの期間に生じた電荷を、複数の電荷受領部に並行して転送する電荷転送ステップを含む。そして、ある１つの電荷受領部において複数の光電変換部から転送されてきた電荷が加算されるように、複数の光電変換部に対して電荷転送ステップを行う。以下、本発明に係る実施例の要部について図１を用いて説明する。
【００１２】
図１（ａ）は本発明に係る実施例の要部を示す概念図である。撮像装置は、複数の光電変換部を有する。図１（ａ）では４つの光電変換部１１〜１４のレイアウトが模式的に示されている。光電変換部１１〜１４では、入射した光が電荷に変換される。言い換えると、入射した光に基づく信号電荷が生成される。光電変換部１１〜１４は例えばフォトダイオードである。光電変換部１１〜１４は半導体基板に配される。半導体基板は少なくとも１つの主面を有する。複数の光電変換部は、当該主面において１次元状にあるいは２次元状に配置されうる。
【００１３】
図１（ａ）には、４つの電荷受領部２１〜２４のレイアウトが模式的に示されている。矢印が光電変換部から電荷受領部へ電荷が転送されることを示している。電荷受領部は、光電変換部からの電荷の転送先である。電荷受領部は、それぞれ、所定の容量値を有する電気的に単一のノードである。例えば、電荷受領部は、フローティングディフュージョン領域（以下、ＦＤ領域）などの半導体領域である。あるいは、１つの電荷受領部が、配線を介して電気的に接続された複数の半導体領域を含んだ構造でもよい。例えば、複数の光電変換部に対応して複数の半導体領域が配され、当該複数の半導体領域が配線を介して電気的に接続される。また、電荷受領部は、後段の増幅回路の入力ノードであってもよい。さらに、電荷受領部にスイッチが接続されてもよい。スイッチによって電荷受領部の容量値が切り替えられてもよい。または、スイッチによって、複数の電荷受領部が互いに電気的に接続され、１つのノードとされてもよい。
【００１４】
図１（ａ）が示す通り、１つの光電変換部で第１の時刻から第２の時刻までの期間に生じた電荷は、少なくとも２つの電荷受領部に並行して転送される。例えば、光電変換部１１の電荷は、第１の電荷受領部２１と第２の電荷受領部２２とに並行して転送される。また、光電変換部１２の電荷は、第２の電荷受領部２２と第３の電荷受領部２３とに並行して転送される。また、別の観点で言えば、１つの光電変換部の電荷が２つの電荷受領部に分配される。
【００１５】
電荷の転送の具体的な手段としては、転送トランジスタなどの転送手段が用いられる。例えば、１つの光電変換部に対して２つの転送トランジスタが接続されうる。この２つの転送トランジスタは、１つの光電変換部とその光電変換部に対応する２つの電荷受領部のそれぞれとの間の電気経路に配されうる。駆動の例としては、２つの転送トランジスタをオフにして、光電変換部で電荷の蓄積を開始し、その後、２つの転送トランジスタを並行してオンする。このような転送トランジスタの駆動によって、１つの光電変換部において第１の時刻から第２の時刻までの期間に生じた電荷が、所定の割合で２つの電荷受領部に転送されうる。所定の割合は好適には、１：１である。所定の割合は、転送トランジスタをオンにするタイミングや、転送トランジスタの転送能力によって変化しうる。転送トランジスタを同時にオンにすることで、所定の割合が１：１になりうる、あるいは１：１に近づきうる。
【００１６】
第１の時刻および第２の時刻は光電変換部ごとに適宜設定される。なお、第１の時刻は、例えば、メカ的なシャッタが開くタイミング、電気的なシャッタが解除されるタイミング、あるいは、２つの転送トランジスタがオフするタイミングなど、撮像装置の動作に対応した時刻であってもよい。また、第２の時刻は、２つの転送トランジスタがオンするタイミングなど、撮像装置の動作に対応した時刻であってもよい。
【００１７】
別の転送手段の例としては、光電変換部から電荷受領部へ電荷の転送チャネルが形成されていてもよい。このような構成では、光電変換が行われている期間に、生じた電荷が所定の確率で複数の電荷受領部のいずれかへ転送されうる。好適には、複数の電荷受領部へ等しい確率で転送される。所定の確率は、転送チャネルの構造によって変化しうる。なお、この場合、第１の時刻は、例えばメカシャッタが開く時刻、電子シャッタが解除される時刻、あるいは、電荷が蓄積されるノードがリセットされたタイミングであってもよい。第２の時刻は、例えばメカシャッタが閉じるタイミング、電子シャッタが動作するタイミング、あるいは、電荷が蓄積されるノードがリセットされたタイミングであってもよい。
【００１８】
電荷受領部２１〜２４では、転送されてきた電荷が加算される。少なくともいずれか１つの電荷受領部で電荷が加算される。例えば、図１（ａ）の第２の電荷受領部２２には、光電変換部１１の電荷と、光電変換部１２の電荷とが転送される。その結果、第２の電荷受領部２２において、２つの光電変換部１１、１２から転送されてきた電荷が加算される。２つの光電変換部１１、１２からの電荷の転送を同時に行うことで、それぞれの光電変換部から転送されてきた電荷を加算しうる。あるいは、一方の光電変換部１１からの電荷を先に転送し、そして、先に転送された電荷を保持したまま、他方の光電変換部１２から電荷を転送することで、それぞれの光電変換部から転送されてきた電荷を加算しうる。このとき、光電変換部１１から第２の電荷受領部２２に転送されてきた電荷とは、光電変換部１１において第１の時刻から第２の時刻までの期間に生じた電荷を第１の電荷受領部２１および第２の電荷受領部２２に並行して転送するステップによって、第２の電荷受領部２２に転送される電荷である。また、光電変換部１２から第２の電荷受領部２２へ転送されてきた電荷とは、光電変換部１２において第１の時刻から第２の時刻までの期間に生じた電荷を第２の電荷受領部２２および第３の電荷受領部２３に並行して転送するステップによって、第２の電荷受領部２２に転送される電荷である。
【００１９】
電荷受領部は所定の容量値を有するノードであるため、転送されてきた電荷の総量に応じて電荷受領部の電圧が変化する。１つの半導体領域に２つの光電変換部から電荷が転送されてきた場合でも、配線を介して互いに電気的に接続された２つの半導体領域に２つの光電変換部から電荷がそれぞれ転送されてきた場合でも、同様の加算が行われる。
【００２０】
本実施例の駆動方法では、それぞれの光電変換部に対して、個別に第１の時刻と第２の時刻とが設定されうる。それぞれの光電変換部における第１の時刻から第２の時刻までの期間が、当該光電変換部での１回の露光期間に対応していてもよい。この場合について、それぞれの光電変換部における第１の時刻から第２の時刻までの期間と、撮像装置の露光期間との関係について説明する。
【００２１】
撮像装置の露光方法には、大きく分けてグローバルシャッタとローリングシャッタとがある。グローバルシャッタは全ての光電変換部で露光期間の開始と終了とが一致するような露光方法である。このような露光方法では、光電変換部１１で電荷が生じる第１の時刻から第２の時刻までの期間と、光電変換部１２で電荷が生じる第１の時刻から第２の時刻までの期間とは、同一の期間である。つまり、光電変換部１１にとっての第１の時刻と、光電変換部１２にとっての第１の時刻とが同じ時刻である。そして、光電変換部１１にとっての第２の時刻と、光電変換部１２にとっての第２の時刻とが同じ時刻である。この期間にそれぞれの光電変換部１１，１２で生じた電荷が、第２の電荷受領部２２を含む複数の電荷受領部に並行して転送される。
【００２２】
一方、ローリングシャッタは、それぞれの光電変換部での露光期間の長さは互いに等しいが、露光期間の開始と終了のタイミングが光電変換部ごとにずれているような露光方法である。したがって、光電変換部１１における第１の時刻から第２の時刻までの期間と、光電変換部１２における第１の時刻から第２の時刻までの期間とは、完全には一致しない。つまり、光電変換部１１にとっての第１の時刻と、光電変換部１２にとっての第１の時刻とが異なる時刻である。そして、光電変換部１１にとっての第２の時刻と、光電変換部１２にとっての第２の時刻とが異なる時刻である。
【００２３】
次に、光電変換部１１あるいは光電変換部１２から、第２の電荷受領部２２への電荷の転送と並行して、第２の電荷受領部２２以外の電荷受領部へ転送された電荷について説明する。例えば、光電変換部１１から第１の電荷受領部２１に転送された電荷は、他の電荷と加算されずに排出されてもよい。つまり、第１の電荷受領部２１が電源電圧の供給された電荷排出ノードであってもよい。このように１つの光電変換部から複数の電荷受領部へ並行して転送された電荷の一方を、排出してもよい。このような構成は、特に撮像領域の外周に配された光電変換部に用いられるとよい。
【００２４】
あるいは、光電変換部１２から第３の電荷受領部２３に転送された電荷が、光電変換部１３から第３の電荷受領部２３に転送された電荷と加算されてもよい。このように１つの光電変換部から複数の電荷受領部へ並行して転送された電荷のそれぞれが、電荷受領部で他の光電変換部からの電荷と加算されてもよい。このような構成は、後述する移動平均処理を行う場合に用いられるとよい。
【００２５】
続いて、本実施例の駆動方法において、その電荷が加算される光電変換部の組み合わせについて説明する。図１（ｂ）は、複数の光電変換部の別のレイアウトの例を模式的に示している。図１（ｂ）では、３つの光電変換部１５〜１７が例示されている。図１（ｂ）では、光電変換部１５と光電変換部１６の間には、１つ以上の光電変換部が配されている。そして、光電変換部１６と光電変換部１７の間には、１つ以上の光電変換部が配されている。
【００２６】
このように、間に他の光電変換部が配された２つの光電変換部の電荷が、電荷受領部で加算されてもよい。例えば、光電変換部１５の電荷は、電荷受領部２５および電荷受領部２６に並行して転送される。一方、光電変換部１６の電荷は電荷受領部２６および電荷受領部２７に並行して転送される。そして、電荷受領部２７では、光電変換部１５から転送されてきた電荷と、光電変換部１６から転送されてきた電荷とが加算される。
【００２７】
図１（ｃ）は、撮像装置のさらに別のレイアウトの例を模式的に示している。図１（ｃ）では、２つの光電変換部１８、１９の電荷が、それぞれ２つの電荷受領部２８、２９に並行して転送される。図１（ｃ）の構成は、撮像面での位相差ＡＦ（Ａｕｔｏ  Ｆｏｃｕｓｉｎｇ）を行う場合に用いられるとよい。この場合には加算を行なう複数の光電変換部に共通して１つの集光部、例えばマイクロレンズが配されうる。
【００２８】
以下では、本発明の実施例についてさらに詳細に説明する。以上の説明は、後述する実施例についても同様である。なお、本発明は以下に説明される実施例のみに限定されない。本発明の趣旨を超えない範囲で以下に説明される実施例の一部の構成が変更された変形例も、本発明の実施例である。また、以下のいずれかの実施例の一部の構成を、他の実施例に追加した例、あるいは他の実施例の一部の構成と置換した例も本発明の実施例である。
【実施例１】
【００２９】
本発明の実施例について説明する。本実施例に係る撮像装置では、各画素が光電変換部と、光電変換部から電荷を転送する転送部とを有する。本実施例の転送部は、１つの光電変換部で第１の時刻から第２の時刻までの期間に生じた電荷を２つの電荷受領部に並行して転送する。別の観点で言えば、転送部は、１つの光電変換部で生じた電荷を２つの電荷受領部に分配する。そして、電荷受領部となるノードにおいて、電荷の加算が行われる。
【００３０】
なお、本実施例では、電荷の加算によって移動平均処理が行われている。また、本実施例では、露光期間が全画素で一致している。いわゆるグローバルシャッタ動作が行われる。
【００３１】
図２は、本実施例の撮像装置の全体ブロック図である。撮像装置１０１は半導体基板を用いて１つのチップで構成することができる。撮像装置１０１は、撮像領域１０２に配された複数の画素を有している。更に、撮像装置１０１は制御部１０３を有している。制御部１０３は、垂直走査部１０４、信号処理部１０５及び出力部１０６に制御信号、電源電圧等を供給する。
【００３２】
垂直走査部１０４は撮像領域１０２に配された複数の画素に駆動信号を供給する。垂直走査部１０４は複数の画素に並行に駆動信号を供給しうる。垂直走査部１０４はシフトレジスタもしくはアドレスデコーダにより構成することができる。
【００３３】
信号処理部１０５は、列回路、水平走査回路、水平出力線を含んで構成される。列回路は、各々が、複数の回路ブロックを含んで構成されうる。回路ブロックは、信号保持部、列増幅回路、ノイズ除去部、ＡＤ変換部などである。水平走査回路はシフトレジスタもしくはアドレスデコーダにより構成することができる。水平出力線に出力される信号は、アナログ信号でもデジタル信号でもよい。
【００３４】
出力部１０６は水平出力線を介して伝達された信号を撮像装置１０１外に出力する。出力部１０６は、バッファもしくは増幅回路を含んで構成されている。
【００３５】
垂直走査部１０４、信号処理部１０５、出力部１０６は撮像領域１０２の外側に配される。つまり、撮像領域１０２の境界は、画素に含まれる素子と、垂直走査部１０４、信号処理部１０５、または出力部１０６を構成する素子との間にある。例えば、もっとも外周に配された画素に含まれる素子と、垂直走査部１０４、信号処理部１０５、または出力部１０６を構成する素子との間の素子分離部が撮像領域１０２の境界であってもよい。
【００３６】
図３に本実施例の撮像装置の等価回路を示す。図３では、１２個の画素２０１が示されている。撮像領域１０２が更に多数の画素２０１を含んで構成されていてもよい。本実施例では、これらの画素２０１が行列状に配される。上述の１２個の画素２０１が３行４列の行列を構成している。垂直走査部によって並行に制御されうる画素群が行である。列は、行とは異なる方向に配された画素群であって、１本もしくは複数本の出力線を共有している画素群である。なお、複数の画素は必ずしも行列状に配される必要はなく、撮像領域１０２に１次元状、あるいは２次元状に複数の画素が配置されればよい。
【００３７】
なお、図３において、個別の画素を区別して説明する場合は、画素２０１ａのように、数字の符号とアルファベットとを組み合わせて表記する。特に個別の画素を区別する必要がない場合は、画素２０１のように、単に数字のみの符号で表記する。また、同じ機能を有する素子には、同じ数字の符号が付されている。個別の素子を区別して説明する際には、アルファベットを数字の後に付して表記する。例えば、画素２０１ａに含まれる素子は、数字の符号の後にアルファベットのａを付す。これは本図に限らず以降の図の説明でも基本的には同様である。
【００３８】
図３において、画素２０１ａ、２０１ｂ、２０１ｃ、２０１ｄが第１行に含まれる。画素２０１ｅ、２０１ｆ、２０１ｇ、２０１ｈが、第１行の隣の第２行に含まれる。そして、画素２０１ｉ、２０１ｊ、２０１ｋ、２０１ｌが第３行に含まれる。また、画素２０１ａ、２０１ｅ、２０１ｉが第１列に含まれる。画素２０１ｂ、２０１ｆ、２０１ｊが、第１列の隣の第２列に含まれる。そして、画素２０１ｃ、２０１ｇ、２０１ｋが第３列に含まれ、画素２０１ｄ、２０１ｈ、２０１ｌが第４列に含まれる。
【００３９】
次に撮像装置の各部を詳細に説明する。画素２０１は、光電変換部２０２、第１転送トランジスタ２６１、第２転送トランジスタ２６２を含む。また、撮像装置は、撮像領域１０２に、第１増幅トランジスタ２６３、リセットトランジスタ２６７、クランプトランジスタ２６４、第２増幅トランジスタ２６５、選択トランジスタ２６６を備える。第１増幅トランジスタ２６３、リセットトランジスタ２６７、クランプトランジスタ２６４、第２増幅トランジスタ２６５、選択トランジスタ２６６は、複数の画素によって共有される。これらの複数の画素に共有される素子が、複数の画素のそれぞれに含まれた素子であるとしてもよい。つまり、画素増幅型の撮像装置としてもよい。
【００４０】
光電変換部２０２は入射光を信号電荷（電子、あるいは正孔）に変換する。光電変換部２０２の例としてフォトダイオードを示している。第１転送トランジスタ２６１、および第２転送トランジスタ２６２は、それぞれ光電変換部２０２の信号電荷を転送する。第１転送トランジスタ２６１および第２転送トランジスタ２６２のそれぞれの制御ノード（転送ゲート）に供給される電圧によって、光電変換部２０２からの電荷の転送が制御される。第１転送トランジスタ２６１および第２転送トランジスタ２６２は転送部を構成する。
【００４１】
第１増幅トランジスタ２６３は、電流源とともにソースフォロア回路を構成する。第１増幅トランジスタ２６３は入力ノード２６０を有する。
【００４２】
第１増幅トランジスタ２６３の出力ノードは、クランプ容量を介して第２増幅トランジスタ２６５の入力ノードに電気的に接続される。クランプ容量は、第１増幅トランジスタ２６３から出力された信号をクランプする。第１増幅トランジスタ２６３の入力ノード２６０がリセットされたときに出力される電圧をクランプ容量にクランプすることで、リセットノイズを除去することができる。
【００４３】
第２増幅トランジスタ２６５の出力ノードは、選択トランジスタ２６６を介して出力線２７２、２７３に電気的に接続される。出力線２７２および出力線２７３のそれぞれには不図示の電流源が接続される。第２増幅トランジスタ２６５は、出力線２７２あるいは出力線２７３に接続された電流源とともにソースフォロア回路を構成する。
【００４４】
リセットトランジスタ２６７は、第１増幅トランジスタ２６３の入力ノード２６０の電圧をリセットする。クランプトランジスタ２６４は、第２増幅トランジスタ２６５の入力ノードに所定の電圧を供給する。選択トランジスタ２６６は、増幅信号を出力する１つの第２増幅トランジスタ２６５を選択する。
【００４５】
本実施例では、リセットトランジスタ２６７、第１増幅トランジスタ２６３、第２増幅トランジスタ２６５、クランプトランジスタ２６４、選択トランジスタ２６６は、それぞれＭＯＳトランジスタである。なお、これらのトランジスタが、バイポーラトランジスタなど、別の種類のトランジスタで構成されてもよい。
【００４６】
第１および第２転送トランジスタ２６１、２６２、リセットトランジスタ２６７、クランプトランジスタ２６４、選択トランジスタ２６６の制御ノードには、それぞれ制御線が接続される。制御線は垂直走査部１０４に電気的に接続される。垂直走査部１０４は、上述の各トランジスタを駆動するための駆動信号を制御線に供給する。
【００４７】
本実施例においては、第１の時刻から第２の時刻までの期間に光電変換部２０２で生じた電荷が、２つの電荷受領部に転送される。この点について、画素２０１ｆを例に説明する。第１転送トランジスタ２６１ｆは、光電変換部２０２ｆの電荷を第１増幅トランジスタ２６３ａの入力ノード２６０ａに転送する。第２転送トランジスタ２６２ｆは、光電変換部２０２ｆの電荷を第１増幅トランジスタ２６３ｆの入力ノード２６０ｆに転送する。つまり、画素の転送部が、光電変換部２０２の電荷を２つのノードに転送する。
【００４８】
本実施例では、第１転送トランジスタ２６１の制御ノードと、第２転送トランジスタ２６２ｆの制御ノードとが互いに接続されている。このため、電荷を転送するための駆動信号が転送ゲートに供給されると、第１および第２転送トランジスタ２６１、２６２が並行してオンする。これにより、光電変換部２０２で第１の時刻から第２の時刻までの期間に生じた電荷は、２つの電荷受領部にほぼ均等に転送される。言い換えると、光電変換部２０２で第１の時刻から第２の時刻までの期間に生じた電荷が２つの電荷受領部に分配される。２つの電荷受領部は、例えば画素２０１ｆでは、入力ノード２６０ａと入力ノード２６０ｆである。なお、本実施例では、各光電変換部２０２から転送される電荷を便宜的に第１の信号と呼ぶ。
【００４９】
本実施例では、複数の光電変換部２０２から転送されてきた電荷が、第１増幅トランジスタ２６３の入力ノード２６０で加算される。例えば、第１増幅トランジスタ２６３ａの入力ノード２６０ａには、４つの光電変換部２０２ａ、２０２ｂ、２０２ｅ、２０２ｆの電荷が転送される。そして、入力ノード２６０ａにおいて、上述の４つの光電変換部２０２ａ、２０２ｂ、２０２ｅ、２０２ｆからの電荷が加算される。そのため、第１増幅トランジスタ２６３ａは４つの光電変換部２０２ａ、２０２ｂ、２０２ｅ、２０２ｆから入力ノード２６０ａに転送される電荷の総量に基づいた信号を出力する。また、第１増幅トランジスタ２６３ｆの入力ノード２６０ｆには、４つの光電変換部２０２ｆ、２０２ｇ、２０２ｊ、２０２ｋの電荷が転送され、そして入力ノード２６０ｆにおいて加算される。そのため、第１増幅トランジスタ２６３ｆは４つの光電変換部２０２ｆ、２０２ｇ、２０２ｊ、２０２ｋから入力ノード２６０ｆに転送される電荷の総量に基づいた信号を出力する。このように、第１増幅トランジスタ２６３は、複数の第１の信号が加算されたことで得られる第２の信号を出力する。
【００５０】
図３において、電荷が加算される画素の組み合わせを破線２７０および一点鎖線２７１で例示している。それぞれの第１増幅トランジスタ２６３の入力ノード２６０において、４つの光電変換部からの電荷が加算される。
【００５１】
入力ノード２６０はＦＤ領域を含んで構成される。光電変換部２０２の電荷は、転送トランジスタを介してＦＤ領域に転送される。入力ノード２６０が１つのＦＤ領域のみを含んで構成されてもよい。この場合は、画素に占める光電変換部の面積の割合を大きくできるため、感度や飽和を向上させることができる。あるいは、入力ノード２６０が配線によって電気的に接続された複数のＦＤ領域を含んで構成されてもよい。この場合は、配線によって任意のＦＤ領域を電気的に接続できる。そのため、特にカラーの撮像装置に用いられるとよい。また、入力ノード２６０が、ＦＤ領域と第１増幅トランジスタのゲート電極との間の電気的経路を構成する配線を含んで構成されてもよい。
【００５２】
以上に述べたように、ある光電変換部から分配された電荷と、別の光電変換部から分配された電荷とが加算されることが本実施例の特徴である。
【００５３】
また、本実施例では、上述の電荷の転送および加算によって、移動平均処理を行っている。移動平均処理とは、例えば、複数の信号に対して、加算前の信号の信号重心のピッチと加算後の信号の信号重心のピッチとが等しくなるように組み合わせを順次変えながら、加算を行うことである。本実施例では、この移動平均処理を行う際、それぞれの画素において、第１の時刻から第２の時刻までの期間に生じた電荷に基づく複数の信号が出力される。具体的には、１つの光電変換部２で第１の時刻から第２の時刻までの期間に生じた電荷が複数の電荷受領部に並行して転送される。なお、複数の信号の信号重心のピッチとは、いわゆるサンプリングピッチのことである。
【００５４】
移動平均処理について図４を用いてさらに詳細に説明する。図４（ａ）では４つの画素１ａ〜１ｄのレイアウトが模式的に示されている。画素１は、光電変換部２を含んで構成される。また、図４（ａ）では、光電変換部２から転送される電荷である第１の信号、および電荷の加算によって得られる第２の信号が矢印で示されている。
【００５５】
本実施例の駆動方法では、画素ごとに、第１の時刻から第２の時刻までの期間に生じた電荷に基づく複数の第１の信号３、４を出力する。ここで第１の信号３、４の露光期間の開始時刻、終了時刻は実質的に一致している。そのため、複数の第１の信号３、４は、いずれも同じ期間に生じた電荷に基づく信号である。そして、第１の信号３、４は、他の画素１で生じた電荷に基づく信号とは加算も平均化もされていない信号である。つまり、第１の信号は加算前あるいは平均化前の信号である。なお、本実施例では、第１の信号３、４は、それぞれ１つの光電変換部２から２つの電荷受領部へ並行して転送される電荷である。
【００５６】
本実施例の駆動方法では、１つの画素の複数の第１の信号３、４をそれぞれ別々の画素の第１の信号と加算することによって、移動平均処理を行う。具体的には、画素１ａの第１の信号４ａと、画素１ｂの第１の信号３ｂとを加算することによって、第２の信号５ａｂを得る。画素１ｂの第１の信号４ｂと画素１ｃの第１の信号３ｃとを加算することによって、第２の信号５ｂｃを得る。画素１ｃの第１の信号４ｃと画素１ｄの第１の信号３ｄとを加算することによって、第２の信号５ｃｄを得る。そして、画素１ｄの第１の信号４ｄは、不図示の画素１ｅの第１の信号３ｅと加算され、第２の信号５ｄｅが得られる。このようにして、２つの画素１の第１の信号を、加算することで、複数の第２の信号を得る。つまり、第２の信号は加算後の信号である。なお、加算とは、電荷受領部での電荷の加算のことである。また、第２の信号は、例えば、加算された電荷の総量に基づいて、第１増幅トランジスタ２６３が出力する増幅信号である。
【００５７】
続いて、移動平均処理を行ったときの、加算前の信号の信号重心のピッチと、加算後の信号の信号重心のピッチとの関係について説明する。移動平均処理においては、第１方向において、加算前の信号の信号重心のピッチと加算後の信号の信号重心のピッチとが等しい。つまり、加算あるいは平均化の前後で、サンプリングピッチが変わらないと言える。別の観点としては、第１方向において、複数の加算前の信号の信号重心が含まれるような単位長さを考えた場合に、当該単位長さあたりに加算後の信号の信号重心が加算前の信号の信号重心と同じ数だけ含まれる。ここで、第１方向は半導体基板の主面に平行な方向である。
【００５８】
図４（ａ）では、光電変換部２の重心６が黒いドットで示されている。光電変換部２の重心６は、所定の平面における光電変換部２の外縁に基づいて幾何学的に決定されうる。ここで、所定の平面は、半導体基板の主面と平行な平面である。光電変換部２は一般に立体的な構造を有する。そこで、光電変換部２を切断するような平面において光電変換部２の外縁を決めてよい。
【００５９】
光電変換部２の外縁は、例えば光電変換部２を構成する半導体領域のうち、信号電荷が収集される半導体領域のＰＮ接合面である。信号電荷が収集される半導体領域とは、信号電荷が電子の場合、フォトダイオードのＮ型半導体領域である。また、画素１が光電変換部２からの電荷の転送を制御する転送トランジスタを含む場合は、当該転送トランジスタのゲート電極の光電変換部２の側の端が、光電変換部２の外縁の一部に含まれてもよい。
【００６０】
撮像装置がフォトリソグラフィープロセスを用いて製造される場合には、当該フォトリソグラフィーに使われるマスクのパターンが、実質的に光電変換部２の外縁を規定している。例えば、信号電荷の収集される半導体領域を形成するプロセスにおけるマスクのパターンが、信号電荷の収集される半導体領域の外縁を実質的に規定しうる。また、転送トランジスタのゲート電極を形成するプロセスにおけるマスクのパターンが、ゲート電極の光電変換部２の側の端を実質的に規定しうる。
【００６１】
なお、所定の平面における光電変換部２の外縁に基づいて重心を決定することが困難な場合、あるいは、一義的には重心が決定されない場合は、光電変換部２の上に配された構造に基づいて重心の位置を決定してもよい。たとえば、平面で見たときに、配線によって１つの光電変換部に対して１つの開口が規定されているならば、当該開口の形状に基づいて重心を決定してもよい。１つの光電変換部に対して１つの開口が規定されていない場合は、例えばマイクロレンズなどの光学素子の重心を、光電変換部の重心としてもよい。
【００６２】
１つの光電変換部２で生じた電荷に基づく第１の信号の信号重心は、他の信号と加算されていなければ、当該１つの光電変換部２の重心６と同じ位置である。つまり、第１の信号の信号重心は、光電変換部２の重心６と同じ位置である。図４（ａ）における第１の信号３、４は加算前の信号である。したがって、加算前の信号の信号重心は、光電変換部２の重心６と同じ位置である。１つの光電変換部２の電荷に基づく信号が増幅されても、あるいはＡＤ変換されても、信号重心の位置は変わらない。なお、特に区別する必要がない場合には、第１の信号３、４の信号重心、および光電変換部２の重心について同じ符号を付して説明する。
【００６３】
図４（ａ）が示す通り、４つの光電変換部２ａ〜２ｄの重心６ａ〜６ｄは、第１方向に沿ってピッチＰ１で並んでいる。つまり、加算前の信号の信号重心のピッチはＰ１である。換言すると、加算前の信号のサンプリングピッチがＰ１である。隣り合う２つの画素の光電変換部２の間隔が、必ずしもピッチＰ１と完全に等しい必要はない。たとえば、隣り合う２つの画素の光電変換部２の間隔が撮像装置の製造プロセスに起因してばらついてもよい。
【００６４】
図４（ａ）には、移動平均処理によって得られる第２の信号５の信号重心７が、白いドットで示されている。第２の信号５の信号重心７は、加算される２つの第１の信号の信号重心６の中点である。例えば、第２の信号５ａｂの信号重心７ａｂは、画素１ａの第１の信号４ａの信号重心６ａと、画素１ｂの第１の信号３ｂの信号重心６ｂとの中点である。ここで、第１の信号３、４は加算前の信号であり、第２の信号は加算後の信号である。したがって、加算後の信号の信号重心は、加算される２つの加算前の信号の信号重心の中点に位置する。
【００６５】
図４（ａ）が示す通り、４つの第２の信号５ａｂ、５ｂｃ、５ｃｄ、５ｄｅの信号重心７ａｂ、７ｂｃ、７ｃｄ、７ｄｅは、第１方向に沿ってピッチＰ２で並んでいる。つまり、加算後の信号の信号重心のピッチはＰ２である。換言すると、加算後の信号のサンプリングピッチがＰ２である。
【００６６】
図４（ａ）が示すように、ピッチＰ１とピッチＰ２とは等しい。つまり、本発明に係る実施例の駆動方法では、加算前の信号の信号重心のピッチＰ１と加算後の信号の信号重心のピッチＰ２とが等しくなるように、複数の信号の加算を行っている。換言すれば、加算前の複数の信号のサンプリングピッチと、加算後の複数の信号のサンプリングピッチとが同じであるように、複数の信号に対して加算を行っている。このような加算の処理が、移動平均処理である。なお、ピッチＰ１とピッチＰ２とは厳密に等しい必要はない。たとえば撮像装置の製造プロセスに起因するばらつき程度の差があってもよい。
【００６７】
図４（ｂ）に、画素のレイアウトが図４（ａ）とは異なる例を示す。図４（ｂ）において、図４（ａ）と同じ機能を有する部材には図４（ａ）と同じ符号を付している。また、図４（ｂ）においても、光電変換部２から転送される電荷である第１の信号、および電荷の加算によって得られる第２の信号が矢印で示されている。
【００６８】
図４（ａ）では４つの光電変換部２ａ〜２ｄの重心６ａ〜６ｄが一直線上に並んでいるのに対し、図４（ｂ）では４つの光電変換部２ａ〜２ｄの重心６ａ〜６ｄがジグザグに配置されている。つまり、図４（ｂ）では複数の画素が一直線上に並んでいない。図４（ｂ）に示されるように、一直線上に配置されていない複数の画素の第１の信号に対して、移動平均処理を行ってもよい。
【００６９】
この場合には、光電変換部２の重心６のピッチおよび第２の信号５の信号重心７のピッチは、第１方向に沿った間隔に基づいて決められる。第１方向は、半導体基板の主面と平行な方向である。例えば、図４（ｂ）において、光電変換部２ａと光電変換部２ｂとが隣り合って配されている。また、第２の信号５ａｂと第２信号５ｂｃとは、互いに隣り合う位置に信号重心を有している。このとき、光電変換部２ａの重心６ａと光電変換部２ｂの重心６ｂとの距離は、第２の信号５ａｂの信号重心７ａｂと第２の信号５ｂｃの信号重心７ｂｃとの距離とは異なっている。しかし、第１方向における光電変換部２ａの重心６ａと光電変換部２ｂの重心６ｂとの間隔は、第１方向における信号重心７ａｂと信号重心７ｂｃとの間隔と等しい。
【００７０】
このように、第１方向における間隔を基準とすると、光電変換部２ａ〜２ｄのピッチＰ１と信号重心７ａｂ〜７ｄｅのピッチＰ２は等しい。つまり、一直線上に配置されていない複数の画素の第１の信号に対して、移動平均処理が行われている。
【００７１】
図４（ａ）および（ｂ）では、隣り合う２つの画素の光電変換部２は、いずれもピッチＰ１で配されている。しかし、移動平均処理を適用しうる撮像装置は、このようなレイアウトを有する撮像装置に限られることはない。複数の画素を１つの繰り返し単位として、複数の光電変換部２が周期的に配置されるレイアウトであってもよい。たとえば、図４（ａ）において、重心６ａと重心６ｂとの間隔、および重心６ｃと重心６ｄとの間隔が第１の距離であり、重心６ｂと重心６ｃとの間隔、および重心６ｄと重心６ｅとの間隔が第１の距離とは異なる第２の距離であってもよい。これは、２つの画素を１つの繰り返し単位として、周期的に光電変換部２が配置される例である。
【００７２】
また、図１（ａ）および（ｂ）では、簡便のために、加算後の信号（第２の信号）の信号重心が、２つの加算前の信号（第１の信号）の信号重心の中点である例を説明した。しかし、例えば加重平均を行う場合には、加重の度合いに応じて中点からオフセットした位置に信号重心が配置されうる。
【００７３】
図４（ａ）および（ｂ）では、簡便のために、加算後の信号（第２の信号）の信号重心が、２つの加算前の信号（第１の信号）の信号重心の中点である例を説明した。３つ以上の画素の第１の信号を加算する場合でも、加算前の信号の信号重心の位置に基づいて加算後の信号の信号重心が決められる。そのために、本明細書では中点の意味が通常より広く解釈される。具体的には、３つ以上の加算前の信号の信号重心のそれぞれに、半導体基板の主面と平行な平面における２次元座標、例えばＸＹ座標を割り当てる。このとき、Ｘ座標の平均値およびＹ座標の平均値が、それぞれ加算後の信号の信号重心のＸ座標およびＹ座標であってもよい。本明細書では、このように得られた点についても中点に含まれるものとする。
【００７４】
光電変換部２が等間隔に配置されない撮像装置において移動平均処理が行われる場合などは、加算前の信号の信号重心のピッチと、加算後の信号の信号重心のピッチとが一致しない可能性がある。しかし、別の観点として、電荷の加算を行った結果、第１方向に沿った単位長さあたりにおける複数の加算前の信号の信号重心の数と、第１方向に沿った同じ単位長さあたりにおける複数の加算後の信号の信号重心の数とが等しければ、移動平均処理が行われたと言える。
【００７５】
具体的な例として、図４（ａ）において、光電変換部２ａの重心６ａから光電変換部２ｄの重心６ｄまでの距離を単位長さとする。そうすると、この単位長さあたりに、信号重心６ａおよび６ｄを含む４つの信号重心６ａ〜６ｄが位置する。一方で、図４では、第２の信号５ａｂの信号重心７ａｂから第２の信号５ｄｅの信号重心７ｄｅまでの距離が光電変換部２ａの重心６ａから光電変換部２ｄの重心６ｄまでの距離と等しい。つまり、単位長さあたりに、信号重心７ａｂおよび７ｄｅを含む４つの信号重心が含まれる。
【００７６】
このように、加算前の信号と加算後の信号について第１方向に沿った単位長さあたりに同じ数の信号重心が含まれるように、複数の信号に対して組み合わせを順次変えながら加算することも、移動平均処理に含まれる。
【００７７】
続いて、本実施例において、移動平均処理によって得られる第２の信号の信号重心について、図５を用いて具体的に説明する。図５は、光電変換部２０２のレイアウトを模式的に示している。また、図５には、光電変換部２０２の重心６が黒いドットで示されている。光電変換部２０２の重心６の位置が、当該光電変換部２０２を含む画素２０１の第１の信号の信号重心６の位置である。本実施例では、画素２０１の第１の信号は、当該画素２０１の光電変換部２０２において第１の時刻から第２の時刻までの期間に生じ、光電変換部２０２から転送される電荷である。画素２０１の第１の信号は、加算前の信号である。
【００７８】
また、図５では、複数の画素２０１の第１の信号が加算されたことで得られる第２の信号の信号重心７の位置が白いドットで示されている。第２の信号は、入力ノード２６０で加算された電荷の総量に基づいて、第１増幅トランジスタ２６３が出力する増幅信号、あるいはその信号が第１増幅トランジスタ２６３の後段で増幅された信号である。
【００７９】
第２列に含まれる画素を例に説明する。画素２０１ｂの第１の信号（加算前の信号）の信号重心は、光電変換部２０２ｂの重心６ｂの位置である。同様に、画素２０１ｆ、２０１ｊの信号の信号重心は、それぞれ光電変換部２０２ｆ、２０２ｊの重心６ｆ、６ｊの位置である。これらの光電変換部２０２ｂ、２０２ｆ、２０２は、列方向に沿って所定のピッチＰ１で配されている。つまり、加算前の信号の信号重心のピッチはＰ１である。この実施例では列方向が第１方向である。
【００８０】
信号重心７Ａ〜７Ｄは、複数の光電変換部からの第１の信号が加算されたことで得られる第２の信号（加算後の信号）の信号重心である。信号重心７Ａは、画素２０１ｂの第１の信号と、画素２０１ｃの第１の信号と、さらに不図示の２つの画素の第１の信号とが加算されたことで得られる第２の信号の信号重心を示している。信号重心７Ｂは、図３の破線２７０で囲まれた４つの画素の第１の信号が加算されたことで得られる第２の信号の信号重心である。信号重心７Ｃは、図３の一点鎖線２７１で囲まれた４つの画素の第１の信号が加算されたことで得られる第２の信号の信号重心である。信号重心７Ｄは、画素２０１ｉの第１の信号と、画素２０１ｊの第１の信号と、さらに不図示の２つの画素の第１の信号とが平均化されたことで得られる第２の信号の信号重心を示している。列方向において、信号重心７Ａ〜７ＤはピッチＰ２で配されている。
【００８１】
図５が示す通り、ピッチＰ１とピッチＰ２は等しい。言い換えると、加算の前後でサンプリングピッチが変わっていない。つまり、第２列に含まれる画素の信号が移動平均処理されている。そのため、列方向の解像度を落とすことなくモアレを低減した信号を得ることができる。
【００８２】
また、本実施例では、行方向に沿って配された複数の画素の第１の信号についても、移動平均処理が行われている。例えば、光電変換部２０２ｅ〜２０２ｈの重心６ａ〜６ｄのピッチが、加算後の信号の信号重心７Ｆ、７Ｂ、７Ｃ、７Ｇ、７Ｈの行方向のピッチと等しい。そのため、行方向の解像度を落とすことなくモアレを低減した信号を得ることができる。
【００８３】
なお、本実施例の移動平均処理によれば、それらの信号重心が行方向および列方向に１画素ずつずれている複数の第２の信号が得られる。そこで、複数の第２の信号に基づく補完処理を行ってもよい。例えば、それぞれが信号重心７Ａ、７Ｂ、７Ｃ、７Ｇを有する４つの第２の信号を用いて、図５の点線で示されたドット８の位置に信号重心を有する第３の信号を合成してもよい。このような補完処理によって、モアレなど高周波成分に起因するノイズが低減された、高い解像度の画像を得ることができる。
【００８４】
あるいは、加算後の信号（第２の信号）に対して移動平均処理を行ってもよい。例えば、信号重心７Ｂを有する第２の信号を、周囲の４つ第２の信号と加算あるいは平均化することで、それぞれが黒いドット６ａ、６ｂ、６ｅ、６ｆの位置に信号重心を有する４つの第４の信号を得ることができる。このように、繰り返し移動平均処理を行うことで、モアレなど高周波成分に起因するノイズをさらに低減することができる。
【００８５】
上述の補完処理や、加算後の信号に対する移動平均処理は、信号処理部１０５に含まれる列回路で行われうる。特に、加算後の信号に対する移動平均処理は、後述の実施例として説明する方法により行われる。
【００８６】
続いて、本実施例の駆動方法について詳細に説明する。図６（ａ）、（ｂ）は、駆動信号のタイミングチャート図である。駆動信号ＲＥＳは、リセットトランジスタ２６７に接続された制御線に供給される。駆動信号ＴＸは、第１転送トランジスタ２６１の制御ノードおよび第２転送トランジスタ２６２の制御ノードに接続された制御線に供給される。駆動信号ＣＬＡＭＰは、クランプトランジスタ２６４の制御ノードに接続された制御線に供給される。駆動信号ＳＥＬは、選択トランジスタ２６６の制御ノードに接続された制御線に供給される。
【００８７】
本実施例では、駆動信号ＲＥＳ、駆動信号ＴＸ、駆動信号ＣＬＡＭＰは、全ての画素に同期して供給される。駆動信号ＳＥＬ（ｎ）、駆動信号ＳＥＬ（ｎ＋１）、駆動信号ＳＥＬ（ｎ＋２）は異なる行の選択トランジスタの制御線に供給される。
【００８８】
駆動信号はハイレベルとローレベルの少なくとも２つの値を取りうる。ハイレベルの駆動信号が供給されると、トランジスタあるいはスイッチがオンとなる。ローレベルの駆動信号が供給されると、トランジスタあるいはスイッチがオフとなる。
【００８９】
図６（ａ）の駆動信号による動作を説明する。図６（ａ）の時刻Ｔ１より前には、全ての駆動信号がローレベルである。時刻Ｔ１において、駆動信号ＲＥＳおよび駆動信号ＴＸがローレベルからハイレベルに遷移する。これにより、光電変換部２０２がリセットされる。その後、駆動信号ＲＥＳおよび駆動信号ＴＸがハイレベルからローレベルに遷移する。この時点から、光電変換部２で電荷の蓄積が開始される。つまり露光期間が開始される。本実施例では、第１の時刻は、時刻Ｔ１の後に第１転送トランジスタ２６１および第２転送トランジスタ２６２がオフする時刻である。
【００９０】
時刻Ｔ２において、駆動信号ＲＥＳおよび駆動信号ＣＬＡＭＰがローレベルからハイレベルに遷移する。これにより、第１増幅トランジスタ２６３の入力ノード２６０、および第２増幅トランジスタ２６５の入力ノードの電圧がリセットされる。時刻Ｔ２から所定の時間が経過した後、駆動信号ＲＥＳおよび駆動信号ＣＬＡＭＰがハイレベルからローレベルに遷移する。これによりリセットノイズを除去することができる。
【００９１】
時刻Ｔ３において、駆動信号ＴＸがローレベルからハイレベルへ遷移する。このとき、各画素の光電変換部２０２に蓄積された電荷が２つの入力ノード２６０に並行して転送される。別の観点では、各画素の光電変換部２０２に蓄積された電荷が２つの入力ノード２６０に分配される。また、このとき入力ノード２６０には複数の光電変換部２０２から転送されてくるため、それらの電荷が入力ノード２６０において加算される。そして、転送された電荷の総量に基づいて、第１増幅トランジスタ２６３の出力ノードの電圧が変化する。時刻Ｔ３から所定の時間が経過した後、駆動信号ＴＸがハイレベルからローレベルに遷移する。なお、本実施例では、第２の時刻は、第１転送トランジスタ２６１および第２転送トランジスタ２６２がオンする時刻である。つまり、時刻Ｔ３において、それぞれの光電変換部２０２において、第１の時刻から第２の時刻に生じた電荷が、２つの電荷受領部に並行して転送される。
【００９２】
時刻Ｔ４以降は、順次駆動パルスＳＥＬ（ｎ）、ＳＥＬ（ｎ＋１）、ＳＥＬ（ｎ＋２）がローレベルからハイレベルに遷移する。これにより、複数の第２の信号が、出力線２７２、２７３に順次出力される。出力線２７２、２７３に出力された第２の信号は、信号処理部１０５に伝達され、所定の信号処理がなされる。
【００９３】
選択トランジスタ２６６ａと選択トランジスタ２６６ｆは異なる出力線に接続されるため、図６（ａ）では、駆動信号ＳＥＬ（ｎ）と駆動信号ＳＥＬ（ｎ＋１）が同期している。このような駆動によって、高速に信号を読み出すことができる。
【００９４】
図６（ｂ）に示すように、駆動信号ＳＥＬ（ｎ）と駆動信号ＳＥＬ（ｎ＋１）とが順次ハイレベルに遷移してもよい。図６（ｂ）に示す駆動信号による動作によれば、２つの出力線２７２、２７３のうち一方にのみ第２の信号が出力される。そのため、２つの列回路に同じ第２の信号を入力することができる。したがって、信号処理部１０５で移動平均処理を行うことが容易となる。
【００９５】
以上に説明した通り、本実施例では、１つの光電変換部において第１の時刻から第２の時刻までの期間に生じた電荷が、転送部によって、２つの電荷受領部に並行して転送される。２つの電荷受領部の少なくとも一方には、他の光電変換部において第１の時刻から第２の時刻までの期間に生じた電荷が転送される。そしてその電荷受領部で転送されてきた電荷が加算される。このような構成によれば、簡単な構成で信号の加算を行うことができるとともに、同じ期間に生じた電荷を加算するため画質を向上させることができる。
【００９６】
また、本実施例では、移動平均処理も並行して行われる。このような構成によれば、モアレなどの、高周波成分に起因するノイズを低減した信号を得ることができる。特に、本実施例では、移動平均処理に用いられる信号が、同じ期間に得られた電荷に基づく信号である。そのため、露光期間の異なる信号を用いて移動平均処理を行う場合に比べて画質の低下を抑制することができる。
【００９７】
また、本実施例では各画素において、移動平均処理、具体的には電荷の加算を行っている。そのため、撮像装置から出力された画像信号に対する付加的な処理を省略することができる。結果として、撮像動作を高速化することができる。あるいは、撮像システム全体の構成を小型化することができる。
【００９８】
なお、本実施例では、グローバルシャッタによる露光を行っている。そのため、駆動信号ＴＸはすべての画素に同期して供給される。したがって、第１および第２転送トランジスタ２６１、２６２がオンすることで、全ての画素の信号に対して一括して移動平均処理が行われる。つまり、複数の加算動作が並行して行われる。このような構成によれば、高速で移動する被写体のひずみを低減することができるため、画質を向上させることができる。
【００９９】
なお、本実施例の変形例では、ローリングシャッタによる露光を行ってもよい。ローリングシャッタの場合では、異なる行の光電変換部で電荷が蓄積される期間の一部が重なっている。そのため、互いに全く重ならない２つの期間に蓄積された電荷が加算される場合に比べて、画質を向上させることができる。
【実施例２】
【０１００】
本発明の別の実施例について説明する。本実施例では、画素にカラーフィルタが設けられている点が、実施例１と異なる。そして、本実施例では、同じ色のカラーフィルタが配された複数の画素の電荷を加算している。つまり、同じ色のカラーフィルタが配された複数の画素の第１の信号に対して移動平均処理を行う。本実施例において特に説明のない部分は、実施例１と同様である。
【０１０１】
図７（ａ）は、本実施例の撮像装置が有する複数の画素を模式的に示している。１つの小さい四角形が、図２の撮像領域１０２における１つの画素が配される領域を模式的に表している。図３の回路図において１つの画素２０１に含まれる素子として示された一群の素子が、この１つの四角形の中に配される。
【０１０２】
なお、図７では、画素を四角形で模式的に示している。しかし、１つの画素の領域は、必ずしも四角形である必要はない。また、図７は、複数の画素が正方格子に配された例を示している。しかし、必ずしも正方格子に限られず、複数の画素が２次元状に周期的に配されていればよい。
【０１０３】
図７に示された画素の回路構成は、実施例１と同様である。本実施例に係る撮像装置は、複数のＦＤ領域とそれらを互いに電気的に接続する配線とを含んで構成された入力ノード２６０を有する。そのため、図１（ｂ）のように、画素２０１ａと画素２０１ｂとの間に、当該２つの画素２０１ａ、２０１ｂとは接続されない別の画素を配置することができる。つまり、間に別の光電変換部を挟んで配置された２つの光電変換部からの電荷を加算することができるのである。そのため、ベイヤー配列のように、隣り合う画素で異なる色のカラーフィルタが配される場合でも、電荷の加算を行うことができる。
【０１０４】
本実施例の撮像装置は３色のカラーフィルタを有する。図７（ａ）は、各画素に配されたカラーフィルタの色を示している。Ｒは、第１の波長帯、例えば赤色のカラーフィルタが配されていることを示す。ＧｒおよびＧｂは、第２の波長帯、例えば緑色のカラーフィルタが配されていることを示す。Ｂは、第３の波長帯、例えば青色のカラーフィルタが配されていることを示す。本実施例の撮像装置は、図が示す通り、いわゆるベイヤー配列のカラーフィルタを備えている。しかし、カラーフィルタの配列はこれに限られない。少なくとも２色以上のカラーフィルタが配されていればよい。
【０１０５】
図７（ａ）において、電荷が加算される画素の組み合わせが、実線３０１〜３１２および一点鎖線３１３〜３２４で示される。そして、本実施例では、実線あるいは一点鎖線で囲まれた複数の画素のうち、同じ色のカラーフィルタが配された複数の画素の光電変換部の電荷を加算する。
【０１０６】
実線３０１に囲まれた１６個の画素を例に説明する。まず、それぞれの画素の光電変換部の電荷は、実施例１と同じように、２つの入力ノード２６０に並行して転送される。
画素Ａ１、画素Ａ３、画素Ｃ１、画素Ｃ３が、１つの入力ノード２６０を共有する。つまり、画素Ａ１、画素Ａ３、画素Ｃ１、画素Ｃ３の光電変換部のそれぞれにおいて第１の時刻から第２の時刻までの期間に生じた電荷が、１つの入力ノード２６０で加算される。これにより赤色（カラーフィルタＲ）に対応した第２の信号が得られる。その他の色に関しても同様である。ここで、Ｇｒで示された画素と、Ｇｂで示された画素には、いずれも緑色のカラーフィルタが配されている。しかし、異なる組み合わせとして、第１の信号が加算される。
【０１０７】
他の実線３０２〜３１２、および一点鎖線３１３〜３２４で囲まれた１６個の画素についても、同じ色の画素同士で、電荷が加算される。なお、図７において、一点鎖線３１６、３２０〜３２４に囲まれた画素の数は１６個より少ない。しかし、実際には、不図示の画素が含まれる。
【０１０８】
本実施例では、同じ色のカラーフィルタが配された複数の画素の信号に対して移動平均処理が行われる。具体例として、画素Ｃ３の第１の信号の加算について説明する。実線３０１で囲まれた画素Ａ１、画素Ａ３、画素Ｃ１、画素Ｃ３の４つの第１の信号が加算される。一方で、一点鎖線３１３で囲まれた画素Ｃ３、画素Ｃ５、画素Ｅ３、画素Ｅ５の４つの第１の信号が加算される。
【０１０９】
図７（ｂ）は、加算により得られた第２の信号の信号重心を示している。図７（ｂ）では、加算により得られた第２の信号の信号重心が位置する画素を、Ｒ、Ｇｂ、Ｇｒ、またはＢで示している。例えば、図７（ａ）の画素Ａ１、画素Ａ３、画素Ｃ１、画素Ｃ３の第１の信号が加算されたことによって得られた第２の信号の信号重心は、画素Ｂ２の領域に位置する。
【０１１０】
図７（ａ）と図７（ｂ）とを参照して、加算前の信号の信号重心のピッチと加算後の信号の信号重心のピッチの関係を説明する。図７（ａ）において、例えば６列目に含まれる画素Ａ６、Ｃ６、Ｅ６、Ｇ６、Ｉ６、Ｋ６には、緑色のカラーフィルタＧｒが配されている。これらの画素Ａ６、Ｃ６、Ｅ６、Ｇ６、Ｉ６、Ｋ６は、２画素分のピッチで配されている。つまり、画素Ａ６、Ｃ６、Ｅ６、Ｇ６、Ｉ６、Ｋ６の第１の信号の信号重心は、列方向において２画素分のピッチで並んでいる。本実施例では列方向が第１方向である。
【０１１１】
画素Ａ６、Ｃ６、Ｅ６、Ｇ６、Ｉ６、Ｋ６の信号に対する移動平均処理として、実線３０２、３０６、３１０、および一点鎖線３１３、３１７、３２１が示す組み合わせで、同じ緑色のカラーフィルタＧｒが配された画素の第１の信号の加算が行われる。図７（ｂ）において、上述の組み合わせでの加算で得られた第２の信号の信号重心は、それぞれ、画素Ｂ７、Ｄ５、Ｆ７、Ｈ５、Ｊ７、Ｌ５の位置にある。つまり、緑色のカラーフィルタＧｒに対応する第２の信号の信号重心は、列方向において２画素分のピッチで並んでいる。このように、本実施例では、同じ色の複数の画素の信号に対して移動平均処理が行われている。
【０１１２】
以上に述べた通り、本実施例では、複数の色のカラーフィルタを有する撮像装置において、色ごとに移動平均処理を行っている。このような構成によれば、実施例１の効果に加えて、混色を低減することができる。
【実施例３】
【０１１３】
本発明の別の実施例について説明する。本実施例では、移動平均処理を行う画素の組み合わせが実施例１および実施例２と異なる。具体的には、１つの画素の第１の信号について、４通りの組み合わせの加算が行われる。そのために、１つの画素において、第１の時刻から第２の時刻までの期間に生じた電荷を４つの電荷受領部へ並行して転送している。本実施例において特に説明のない部分は、実施例１あるいは実施例２と同様である。
【０１１４】
図８（ａ）は、本実施例の撮像装置が有する複数の画素を模式的に示している。画素の位置の標記は図７と同じである。また、本実施例の画素には、カラーフィルタが配されている。
【０１１５】
本実施例では、１つの画素について、当該１つの画素を含む４つの異なる組み合わせにおいて、第１の信号の加算を行う。４つの組み合わせは、実線４０１、破線４０２、一点鎖線４０３、二点鎖線４０４が示す画素の組み合わせである。
【０１１６】
具体的に、画素Ｃ３を例に説明する。第１の組み合わせとして、画素Ａ１、画素Ａ３、画素Ｃ１、画素Ｃ３の４つの画素の光電変換部の電荷が加算される。第２の組み合わせとして、画素Ａ３、画素Ａ５、画素Ｃ３、画素Ｃ５の４つの画素の光電変換部の電荷が加算される。第３の組み合わせとして、画素Ｃ１、画素Ｃ３、画素Ｅ１、画素Ｅ３の４つの画素の光電変換部の電荷が加算される。そして、第４の組み合わせとして、画素Ｃ３、画素Ｃ５、画素Ｅ３、画素Ｅ５の４つの画素の光電変換部の電荷が加算される。他の色のカラーフィルタが配された画素についても、ある画素に着目した場合に、当該画素を含む４つの異なる組み合わせで、第１の信号の加算が行われる。
【０１１７】
上述のような移動平均処理を行うために、本実施例に係る撮像装置は、１つの画素の光電変換部の電荷が４つの電荷受領部に並行して転送される。例えば、１つの光電変換部に４つの転送トランジスタが接続される。
【０１１８】
図８（ｂ）は、電荷の加算によって得られた複数の第２の信号の信号重心を示している。図８（ｂ）では、第２の信号の信号重心が位置する画素を、Ｒ、Ｇｂ、Ｇｒ、またはＢで示している。例えば、図８（ａ）の画素Ａ１、画素Ａ３、画素Ｃ１、画素Ｃ３の第１の信号が加算されたことで得られる第２の信号の信号重心は、画素Ｂ２の領域に位置する。
【０１１９】
本実施例では、１つの画素の第１の信号について、４つの異なる組み合わせで加算を行っている。そのため、加算で得られる第２の信号をより多く得ることができる。図７（ａ）と図８（ａ）とを比較すると、画素の配列は実施例２と実施例３とで同じである。しかし、実施例２では、図７（ｂ）の画素Ｂ４、Ｂ５、Ｃ４、Ｃ５など、加算後の信号の信号重心が配されない画素がある。これに対して、本実施例では、図８（ｂ）が示すように、外周の画素を除いて加算後の信号の信号重心が配される。つまり、加算後の信号である第２の信号をより多く得ることができる。結果として、解像度の高い画像を得ることができる。
【０１２０】
なお、実施例１あるいは実施例２において、複数の第１の信号の加算によって得られた複数の第２の信号に基づいて補完処理を行うことで解像度の高い画像を得ることができる。これに対して、本実施例によれば、そのような補完処理を省略することができる。
【０１２１】
以上に述べた通り、本実施例によれば、実施例１あるいは実施例２の効果に加えて、解像度の高い画像を得ることができる。
【実施例４】
【０１２２】
本発明の別の実施例について説明する。本実施例は、実施例１〜３において移動平均処理によって得られた複数の第２の信号に対して、信号処理部でローパスフィルタ処理を行うところが特徴である。ローパスフィルタ処理は、移動平均処理であってもよい。あるいは、通常の画素加算でもよい。そこで、以下では信号処理部の構成と、その信号処理について説明する。他の構成は、全て実施例１〜３と同様である。
【０１２３】
図２は、本実施例の撮像装置の全体ブロック図である。撮像装置１０１は半導体基板を用いて１つのチップで構成することができる。撮像装置１０１は、撮像領域１０２に配された複数の画素を有している。本実施例では、撮像領域１０２、制御部１０３、垂直走査部１０４、及び出力部１０６の構成は実施例１〜３と同様であるため、詳細な説明は省略する。
【０１２４】
図９は、信号処理部１０５の一部を示す等価回路である。図９では、信号処理部１０５に含まれる列回路と水平出力線が示されている。図９では２列分の列回路が示されている。実際には、撮像領域１０２に配された画素列に対応してさらに多数の列回路が配される。
【０１２５】
出力線５３０ａ、５３０ｂには、撮像領域１０２における移動平均処理によって得られた第２の信号が出力される。撮像領域１０２が図３の構成の場合には、出力線５３０ａ、５３０ｂは、それぞれ図３の出力線２７２、２７３である。
【０１２６】
列増幅回路６００ａ、６００ｂは、それぞれ出力線５３０ａ、５３０ｂの信号を増幅した増幅信号を出力する。列増幅回路６００ａ、６００ｂは、オペアンプ６６０、容量６１０、容量６８０、帰還スイッチ６７０を含んで構成される。
【０１２７】
出力線５３０は、容量６１０を介してオペアンプ６６０の反転入力端子に電気的に接続される。オペアンプ６６０の非反転入力端子には所定の電圧ＶＣ０Ｒが供給される。オペアンプ６６０の反転入力端子と出力端子との間の電気的経路に、帰還スイッチ６７０と容量６８０とが並列に配される。帰還スイッチ６７０の制御ノードには制御線が接続される。帰還スイッチ６７０の制御ノードには駆動信号ＰＣ０Ｒが供給される。
【０１２８】
列増幅回路６００ａ、６００ｂの出力ノードは、それぞれサンプルホールドスイッチ（以下、ＳＨスイッチ）７００ａ、７００ｂを介してノード６２０ｓに電気的に接続される。ノード６２０ｓには、第１〜第３のメモリ選択スイッチ６３０ａ、６３０ｂ、６３０ｃを介して、容量Ｃ１、容量Ｃ２、容量Ｃ３が電気的に接続される。
【０１２９】
ノード６２０ｓは、水平転送スイッチ６５０を介して、水平出力線５７０ｓに電気的に接続される。水平転送スイッチ６５０は、不図示の水平走査回路から供給される駆動信号ＣＳＥＬによって制御される。水平出力線５７０ｓは、出力部１０６に電気的に接続される。
【０１３０】
続いて、本実施例の駆動方法について詳細に説明する。図１０は、駆動信号のタイミングチャート図である。図１０の駆動信号ＳＥＬ（ｎ）、ＳＥＬ（ｎ＋１）は、図５および図１０の駆動信号ＳＥＬ（ｎ）、ＳＥＬ（ｎ＋１）である。つまり、図１０の駆動信号ＳＥＬ（ｎ）、ＳＥＬ（ｎ＋１）はそれぞれ撮像領域１０２の選択トランジスタに供給される。図１０では、図５および図１０において駆動信号ＳＥＬ（ｎ）、ＳＥＬ（ｎ＋１）がハイレベルとなる期間の前後のタイミングチャートを示している。
【０１３１】
図１０において、駆動信号ＰＣ０Ｒは、帰還スイッチ６７０に接続された制御線に供給される。駆動信号ＳＨＡ、駆動信号ＳＨＢはそれぞれＳＨスイッチ７００ａ、７００ｂの制御ノードに接続された制御線に供給される。駆動信号ＳＷ１〜ＳＷ３は、それぞれメモリ選択スイッチ６３０ａ、６３０ｂ、６３０ｃの制御ノードに接続された制御線に供給される。駆動信号ＣＳＥＬ（ｍ）は水平転送スイッチ６５０の制御ノードに接続された制御線に供給される。
【０１３２】
本実施例では制御部１０３が、駆動信号ＰＣ０Ｒ、駆動信号ＳＨＡ、駆動信号ＳＨＢ、駆動信号ＳＷ１〜ＳＷ３を供給する。また、水平走査回路が駆動信号ＣＳＥＬ（ｍ）を供給する。
【０１３３】
駆動信号はハイレベルとローレベルの少なくとも２つの値を取りうる。ハイレベルの駆動信号が供給されると、トランジスタあるいはスイッチがオンとなる。ローレベルの駆動信号が供給されると、トランジスタあるいはスイッチがオフとなる。
【０１３４】
時刻Ｔ１より前に、移動平均処理が行われているものとする。つまり、時刻Ｔ１より前に、図６の時刻Ｔ１から時刻Ｔ４までの動作が行われているものとする。また、容量Ｃ１および容量Ｃ２には前の読み出し行である（ｎ−１）行の信号が保持されている。
【０１３５】
時刻Ｔ１において、駆動信号ＰＣ０Ｒがローレベルからハイレベルに遷移する。他の駆動信号はローレベルである。これにより、列増幅回路６００ａ、６００ｂがリセットされる。なお、このときは出力線５３０ａ、５３０ｂに所定の電圧が供給されている。あるいは、出力線５３０ａに、第２増幅トランジスタ２６５ａの入力ノードの電圧がリセットされた状態に基づく信号が出力されていてもよい。時刻Ｔ１から所定の時間が経過した後、駆動信号ＰＣ０Ｒがハイレベルからローレベルに遷移する。
【０１３６】
時刻Ｔ２において駆動信号ＳＥＬ（ｎ）がローレベルからハイレベルに遷移する。これにより、出力線５３０ａに撮像領域１０２での移動平均処理によって得られた第２の信号が出力される。
【０１３７】
続いて、時刻Ｔ３に駆動信号ＳＨＡ、駆動信号ＳＷ１、駆動信号ＳＷ３がローレベルからハイレベルに遷移する。これにより、列増幅回路６００ａが、出力線５３０ａの第２の信号を増幅し、増幅信号をノード６２０ｓに出力する。そして、列増幅回路６００ａから出力された増幅信号が、容量Ｃ１および容量Ｃ３に保持される。時刻Ｔ３から所定の時間が経過した後、駆動信号ＳＨＡ、駆動信号ＳＷ１、駆動信号ＳＷ３がハイレベルからローレベルに遷移する。
【０１３８】
時刻Ｔ４において、駆動信号ＳＷ１、および駆動信号ＳＷ２がローレベルからハイレベルに遷移する。これによって、容量Ｃ１に保持された信号（第２の信号に基づく増幅信号）と、容量Ｃ２に保持された信号（第２の信号に基づく増幅信号）とがノード６２０ｓにおいて平均化される。このとき、容量Ｃ１には時刻Ｔ３で読み出された信号が保持されている。そして、容量Ｃ２には前の読み出し行である（ｎ−１）行の信号が保持されている。つまり、時刻Ｔ４において、（ｎ−１）行の第２の信号とｎ行の第２の信号とが平均化される。時刻Ｔ４から所定の時間が経過した後、駆動信号ＳＷ１、および駆動信号ＳＷ２がハイレベルからローレベルに遷移する。
【０１３９】
時刻Ｔ５から水平転送期間が開始される。具体的には、水平走査回路が駆動信号ＣＳＥＬを順次出力する。これにより、ノード６２０ｓの信号が容量分割によって水平出力線５７０ｓに出力される。水平出力線５７０ｓに出力された信号は、出力部１０６によって撮像装置の外部に出力される。
【０１４０】
次に時刻Ｔ６において駆動信号ＰＣ０Ｒがローレベルからハイレベルに遷移する。これにより、帰還スイッチ６７０がオンし、列増幅回路６００ａ、６００ｂがリセットされる。なお、このときは出力線５３０ａ、５３０ｂに所定の電圧が供給されている。あるいは、出力線５３０ｂに、第２増幅トランジスタ２６５ｆの入力ノードの電圧がリセットされた状態に基づく信号が出力されていてもよい。時刻Ｔ６から所定の時間が経過した後、駆動信号ＰＣ０Ｒがハイレベルからローレベルに遷移する。
【０１４１】
時刻Ｔ７において駆動信号ＳＥＬ（ｎ＋１）がローレベルからハイレベルに遷移する。これにより、出力線５３０ｂに撮像領域１０２での移動平均処理によって得られた信号が出力される。
【０１４２】
続いて、時刻Ｔ８に駆動信号ＳＨＢ、駆動信号ＳＷ１、駆動信号ＳＷ２がローレベルからハイレベルに遷移する。これにより、列増幅回路６００ｂが、出力線５３０ｂの第２の信号を増幅し、増幅信号をノード６２０ｓに出力する。そして、列増幅回路６００ｂから出力された増幅信号が、容量Ｃ１および容量Ｃ２に保持される。時刻Ｔ８から所定の時間が経過した後、駆動信号ＳＨＢ、駆動信号ＳＷ１、駆動信号ＳＷ２がハイレベルからローレベルに遷移する。
【０１４３】
時刻Ｔ９において、駆動信号ＳＷ１、および駆動信号ＳＷ３がローレベルからハイレベルに遷移する。これによって、容量Ｃ１に保持された信号（第２の信号に基づく増幅信号）と、容量Ｃ３に保持された信号（第２の信号に基づく増幅信号）とがノード６２０ｓにおいて平均化される。このとき、容量Ｃ１には時刻Ｔ８で読み出された信号が保持されている。そして、容量Ｃ２には時刻Ｔ３で読み出された、前の読み出し行であるｎ行の信号が保持されている。つまり、時刻Ｔ４において、ｎ行の第２の信号と（ｎ＋１）行の第２の信号とが平均化される。時刻Ｔ４から所定の時間が経過した後、駆動信号ＳＷ１、および駆動信号ＳＷ２がハイレベルからローレベルに遷移する。
【０１４４】
時刻Ｔ１０から水平転送期間が開始される。具体的には、水平走査回路が駆動信号ＣＳＥＬを順次出力する。これにより、ノード６２０ｓの信号が容量分割によって水平出力線５７０ｓに出力される。水平出力線５７０ｓに出力された信号は、出力部１０６によって撮像装置の外部に出力される。
【０１４５】
ここで、駆動信号ＳＥＬ（ｎ−１）、ＳＥＬ（ｎ）、ＳＥＬ（ｎ＋１）、ＳＥＬ（ｎ＋２）・・・、が順次ハイレベルになることで、撮像領域１０２から出力される第２の信号をＳｎ−１、Ｓｎ、Ｓ＋１、Ｓｎ＋２・・・、とする。本実施例では、信号処理部において、信号Ｓｎ−１と信号Ｓｎとを平均化した第３の信号、信号Ｓｎと信号Ｓｎ＋１とを平均化した第３信号、信号Ｓｎ＋１と信号Ｓｎ＋２とを平均化した第３の信号・・・、を順次出力している。すなわち、移動平均処理を行っている。
【０１４６】
以上に説明したように、本実施例では、撮像領域１０２での移動平均処理によって得られた複数の第２の信号が、信号処理部１０５においてさらに移動平均処理される。このような構成によれば、実施例１〜３のいずれかの効果に加えて、さらにモアレなどの高周波成分を低減することができる。
【０１４７】
また、本実施例の変形例では、通常の画素加算が行われる。この場合、信号重心が行方向および列方向に１画素ずつずれている２つの第２の信号を平均化するだけでもよい。例えば、図５において、信号重心７Ａを有する第２の信号と、信号重心７Ｂを有する第２の信号とを平均化する。また、信号重心７Ｃを有する第２の信号と、信号重心７Ｄを有する第２の信号とを平均化する。一方で、信号重心７Ｂを有する第２の信号と、信号重心７Ｃを有する第２の信号との平均化は行わない。これにより、平均化前の信号のピッチに対して、平均化後の信号のピッチが２倍になる。つまり解像度が落ちるが、その代わりに、画質とフレームレートを向上させることができる。
【実施例５】
【０１４８】
本発明の別の実施例について説明する。本実施例に係る撮像措置は、第２増幅トランジスタと出力線との間の電気経路に、第２の信号を保持する保持容量を有する。そして、保持容量に保持された第２の信号が順次出力線に読み出される。他の部分は、実施例１〜４のいずれかと同様である。そこで、実施例１〜４と異なる点のみを説明する。
【０１４９】
図１１は、本実施例の撮像装置の等価回路を示す。図３と同じ機能を有する部分には同じ符号を付し、詳細な説明は省略する。また、同じ機能を有する素子には、同じ数字の符号が付されている。
【０１５０】
第２増幅トランジスタ２６５と出力線２７２、２７３との間の電気経路に、ＳＨスイッチ２５５、保持容量２６８、第３増幅トランジスタ２６９が配される。選択トランジスタ２６６は、第３増幅トランジスタ２６９と、出力線２７２、２７３との間の電気経路に配される。ＳＨスイッチ２５５、第３増幅トランジスタ２６９は例えばＭＯＳトランジスタである。第１増幅トランジスタ２６３、第２増幅トランジスタはそれぞれ不図示の電流源とソースフォロア回路を構成する。
【０１５１】
第２増幅トランジスタ２６５から出力された信号が、ＳＨスイッチ２５５を介して、保持容量２６８に伝達される。ＳＨスイッチ２５５がオフすることで、保持容量２６８が信号を保持する。第２増幅トランジスタ２６５からは、電荷が加算されたことで得られる第２の信号が出力されるため、保持容量２６８には第２の信号が保持される。
【０１５２】
第３増幅トランジスタ２６９は、保持容量２６８に保持された第２の信号を出力線２７２、２７３に出力する。選択トランジスタ２６６が、信号を出力する１つの第３増幅トランジスタ２６９を選択する。
【０１５３】
本実施例によれば、第２の信号が出力線２７２、２７３に読み出されるまで、第２の信号を保持容量２６８に保持することができる。保持容量２６８で信号を保持すると、ＦＤ領域を含むノード、例えば入力ノード２６０で信号を保持する場合に比べて、暗電流などの影響を低減することができる。つまり、本実施例によれば、実施例１〜４の効果に加えて、ノイズを低減することができる。
【実施例６】
【０１５４】
本発明の別の実施例について説明する。本実施例に係る撮像措置は、第１増幅トランジスタの出力ノードと出力線との間の電気経路に選択トランジスタが配される。そして、第２トランジスタおよび第３トランジスタは省略されている。他の部分は、実施例１〜４のいずれかと同様である。そこで、実施例１〜４と異なる点のみを説明する。
【０１５５】
図１２は、本実施例の撮像装置の等価回路を示す。図３と同じ機能を有する部分には同じ符号を付し、詳細な説明は省略する。また、同じ機能を有する素子には、同じ数字の符号が付されている。
【０１５６】
第１増幅トランジスタ２６３は、入力ノード２６０で加算された電荷に基づく第２の信号を出力線２７２、２７３に出力する。選択トランジスタ２６６が、信号を出力する１つの第１増幅トランジスタ２６３を選択する。
【０１５７】
本実施例によれば、撮像領域に配されるトランジスタの数を少なくすることができるため、光電変換部の占める割合を大きくできる。その結果、感度や飽和を向上させることができる。つまり、本実施例によれば、実施例１〜４の効果に加えて、感度や飽和を向上させることができる。
【実施例７】
【０１５８】
本発明のさらに別の実施例について説明する。本実施例では、１つの光電変換部に接続された２つの転送トランジスタが、互いに独立に制御される点が、実施例１と異なる。他の部分は、全て実施例１と同様である。そこで、実施例１と異なる点を中心に説明する。説明が省略された部分は実施例１と同様である。
【０１５９】
図１３に本実施例の撮像装置の等価回路を示す。図３と同じ部分には、同じ符号を付してある。図３と同じ部分についての詳細な説明は省略する。
【０１６０】
図１３が示す通り、本実施例では、第１転送トランジスタ２６１の制御ノードと、第２転送トランジスタ２６２の制御ノードとに、別々の制御線が電気的に接続される。第１転送トランジスタ２６１の制御ノードに接続された制御線には、駆動信号ＴＸ１が供給される。第２転送トランジスタ２６２の制御ノードに接続された制御線には、駆動信号ＴＸ２が供給される。
【０１６１】
図１３の撮像装置は２つのモードで駆動される。第１のモードは、実施例１と同様の駆動方法である。つまり、第１モードでの駆動方法は１つの光電変換部から２つの電荷受領部に並行して電荷を転送するステップを含む。
【０１６２】
第２のモードでの駆動方法は、１つの光電変換部から１つの電荷受領部にのみ電荷を転送するステップを含む。この第２のモードでの駆動方法によれば、それぞれの光電変換部２０２に蓄積された電荷に基づく信号を個別に読み出すことができる。したがって、解像度の高い画像を得ることができる。
【０１６３】
これらの第１のモードと第２のモードとは、例えば制御部１０３によって切り替えられる。あるいは、撮像装置の外部からの信号によって、第１のモードと第２のモードとが切り替えられてもよい。
【０１６４】
以上に述べたように、本実施例では、第１のモードと第２のモードとを切り替えて撮像装置を駆動することができる。そのため、実施例１の効果に加えて、解像度の高い画像を得ることができる。
【実施例８】
【０１６５】
本発明のさらに別の実施例について説明する。本実施例では、撮像面での位相差ＡＦを行うことが特徴である。そこで、実施例１と異なる点を中心に説明する。説明が省略された部分は実施例１と同様である。
【０１６６】
図２は、本実施例の撮像装置の全体ブロック図である。撮像装置１０１は半導体基板を用いて１つのチップで構成することができる。撮像装置１０１は、撮像領域１０２に配された複数の画素を有している。本実施例では、制御部１０３、垂直走査部１０４、及び出力部１０６の構成は実施例１と同様であるため、詳細な説明は省略する。
【０１６７】
図１４は、実施例の撮像領域１０２の等価回路を示している。ここで、図３と同じ機能を有する素子には、同じ数字を付している。これらの素子についての詳細な説明は省略する。ただし、図１４では、同じ機能を有する素子が複数配されるため、数字の後にアルファベットを付して区別する。
【０１６８】
本実施例では、撮像面での位相差ＡＦを行うために、１つの光電変換部２０２が２つの部分領域を含む。１つの光電変換部２０２において、第１の時刻から第２の時刻までの期間に生じた電荷が、その２つの部分領域に分配される。そして、それぞれの分割領域に蓄積された電荷が転送される。このようにして分配された電荷に基づく２つの信号が読み出される。その２つの信号の差分に基づいて、位相差あるいは焦点のずれを検出する。なお、本実施例では、２つの分割領域の電荷に基づく２つの信号を読み出すための回路をアルファベットのＲとＬを付して区別している。
【０１６９】
本実施例では、それぞれの光電変換部２０２に１つのレンズが配されてもよい。また、光電変換部２０２の２つの分割領域の間に、信号電荷に対するポテンシャルバリアが形成されてもよい。このポテンシャルバリアの高さは、当該光電変換部２０２と他の光電変換部２０２との間のポテンシャルバリアの高さよりも低い。このような構成によって、光電変換部２０２の２つの分割領域の一方が飽和した場合でも、他の光電変換部へ電荷が漏れ出すことを低減できる。蓄積される電荷が電子の場合は、ポテンシャルバリアは、Ｐ型の半導体領域で構成されうる。また、蓄積される電荷がホールの場合は、ポテンシャルバリアは、Ｎ型の半導体領域で構成されうる。
【０１７０】
本実施例では、光電変換部２０２ａにおいて、第１の時刻から第２の時刻までの期間に生じた電荷のうち、光電変換部２０２ａの２つの分割領域の一方に蓄積された電荷が、第１転送トランジスタ２６１ａによって、入力ノード２６０ａＲに転送される。光電変換部２０２ａにおいて、第１の時刻から第２の時刻までの期間に生じた電荷のうち、光電変換部２０２ａの２つの分割領域の他方に蓄積された電荷が、第２転送トランジスタ２６２ａによって、入力ノード２６０ａＬに転送される。入力ノード２６０ａＲへの電荷の転送と、入力ノード２６０ａＬへの電荷の転送は、並行して行われてもよい。
【０１７１】
また、光電変換部２０２ｂにおいて、第１の時刻から第２の時刻までの期間に生じた電荷のうち、光電変換部２０２ｂの２つの分割領域の一方に蓄積された電荷が、第１転送トランジスタ２６１ｂによって、入力ノード２６０ａＲに転送される。光電変換部２０２ｂにおいて、第１の時刻から第２の時刻までの期間に生じた電荷のうち、光電変換部２０２ｂの２つの分割領域の他方に蓄積された電荷が、第２転送トランジスタ２６２ｂによって、入力ノード２６０ａＬに転送される。
【０１７２】
そして、入力ノード２６０ａＲにおいて、光電変換部２０２ａから転送されてきた電荷と、光電変換部２０２ｂから転送されてきた電荷とが加算される。また、入力ノード２６０ａＬにおいて、光電変換部２０２ａから転送されてきた電荷と、光電変換部２０２ｂから転送されてきた電荷とが加算される。
【０１７３】
入力ノード２６０ａＲにおいて電荷が加算されたことで得られる信号が出力線２７２Ｒに出力される。また、入力ノード２６０ａＬにおいて電荷が加算されたことで得られる信号が出力線２７２Ｌに出力される。本実施例では、２つの出力線２７２Ｒ、２７２Ｌに出力された信号に、所定の処理を行うことで、撮像面での位相差ＡＦを行う。
【０１７４】
なお、出力線２７２Ｒ、２７２Ｌへの信号の読み出しは、実施例１と同様であるため、詳細な説明は省略する。また、実施例２、３と同様に、複数の光電変換部に複数の色のカラーフィルタが配されてもよい。さらに、実施例５、６と同様の回路構成であってもよい。
【０１７５】
以上に説明した通り、本実施例の駆動方法は、光電変換部のそれぞれにおいて第１の時刻から第２の時刻までの期間に生じた電荷を、分配して転送するステップを含む。そして、その電荷受領部において転送されてきた電荷が加算される。このような構成によれば、簡単な構成で信号の加算を行うことができるとともに、同じ期間に蓄積された電荷を加算するため画質を向上させることができる。
【０１７６】
また、本実施例の駆動方法では、２つの電荷受領部の両方において、複数の光電変換部から転送されてきた電荷が加算される。そして、電荷が加算されたことで得られる信号を用いた位相差検出のステップを含む。このような構成によれば、複数の光電変換部からの電荷が加算されるため、被写体が暗い場合でも高い感度を得ることができる。つまり、被写体が暗い場合でも制度の高い位相差検出を行うことが可能となる。
【実施例９】
【０１７７】
撮像システムの駆動方法の実施例について説明する。撮像システムとして、デジタルスチルカメラ、デジタルカムコーダ、複写機、ファックス、携帯電話、車載カメラ、観測衛星などがあげられる。図１５に、撮像システムの例としてデジタルスチルカメラのブロック図を示す。
【０１７８】
図１５において、１００１はレンズの保護のためのバリア、１００２は被写体の光学像を撮像装置１００４に結像させるレンズ、１００３はレンズ１００２を通った光量を可変するための絞りである。１００４は上述の各実施例で説明した撮像装置であって、レンズ１００２により結像された光学像を画像データとして変換する。ここで、撮像装置１００４の半導体基板にはＡＤ変換部が形成されているものとする。１００７は撮像装置１００４より出力された撮像データに各種の補正やデータを圧縮する信号処理部である。そして、図１５において、１００８は撮像装置１００４および信号処理部１００７に、各種タイミング信号を出力するタイミング発生部、１００９はデジタルスチルカメラ全体を制御する全体制御部である。１０１０は画像データを一時的に記憶する為のフレームメモリ部、１０１１は記録媒体に記録または読み出しを行うためのインターフェース部、１０１２は撮像データの記録または読み出しを行う為の半導体メモリ等の着脱可能な記録媒体である。そして、１０１３は外部コンピュータ等と通信する為のインターフェース部である。ここで、タイミング信号などは撮像システムの外部から入力されてもよく、撮像システムは少なくとも撮像装置１００４と、撮像装置１００４から出力された撮像信号を処理する信号処理部１００７とを有すればよい。
【０１７９】
本実施例では、撮像装置１００４とＡＤ変換部とが同一の半導体基板に形成されている構成を説明した。しかし、撮像装置１００４とＡＤ変換部とが別の半導体基板に設けられていてもよい。また、撮像装置１００４と信号処理部１００７とが同一の基板上に形成されていてもよい。
【０１８０】
本実施例において、撮像装置１００４は、実施例１乃至実施例８のいずれかの駆動方法によって駆動される。このように、実施例１乃至実施例８のいずれかの駆動方法を撮像システムに適用することが可能である。本実施例の駆動方法を撮像システムに適用することにより、撮像システムの画質を向上しつつ、撮像システムを小型化することが可能となる。
【符号の説明】
【０１８１】
２、１１〜１９、２０２、  光電変換部
２１〜２９  電荷受領部
２６０  入力ノード
【図１】
2014022822.tif 000003
【図２】
2014022822.tif 000004
【図３】
2014022822.tif 000005
【図４】
2014022822.tif 000006
【図５】
2014022822.tif 000007
【図６】
2014022822.tif 000008
【図７】
2014022822.tif 000009
【図８】
2014022822.tif 000010
【図９】
2014022822.tif 000011
【図１０】
2014022822.tif 000012
【図１１】
2014022822.tif 000013
【図１２】
2014022822.tif 000014
【図１３】
2014022822.tif 000015
【図１４】
2014022822.tif 000016
【図１５】
2014022822.tif 000017