(57)【要約】【課題】  消費電力を増加させることなく、垂直信号線上で画素信号の混合を最適に行えるようにすること。【解決手段】  複数の列出力線（２１０）と、複数の列出力線それぞれに接続された複数の画素（２００、３００）と、各列出力線に、前記複数の画素の内、選択した画素から信号を出力するように制御する垂直走査部（１０２）と、を有し、前記複数の画素は、それぞれフォトダイオード（２０１）と、フォトダイオードから転送された電荷を保持するためのフローティングデフュージョン部（２０８）と、フローティングデフュージョン部の容量を増加する増加手段（２０６、２０７）とを含み、垂直走査部は、複数の画素のうちの複数の画素を同時に選択して信号を出力させる場合に、増加手段によりフローティングデフュージョン部の容量を増加するように制御する。【選択図】  図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の列出力線と、
前記複数の列出力線それぞれに接続された複数の画素と、
各列出力線に、前記複数の画素の内、選択した画素から信号を出力するように制御する制御手段と、を有し、
前記複数の画素は、それぞれ
光電変換手段と、
前記光電変換手段から転送された電荷を保持するためのフローティングデフュージョン部と、
前記フローティングデフュージョン部の容量を増加する増加手段とを含み、
前記制御手段は、前記複数の画素のうちの複数の画素を同時に選択して信号を出力させる場合に、前記増加手段により前記フローティングデフュージョン部の容量を増加するように制御することを特徴とする撮像素子。
【請求項２】
前記増加手段は、蓄電素子と、前記フローティングデフュージョン部と前記蓄電素子との間に設けられたスイッチと、を含むことを特徴とする請求項１に記載の撮像素子。
【請求項３】
前記制御手段は、更に、予め決められた条件を満たす場合に、前記増加手段により前記フローティングデフュージョン部の容量を増加するように制御することを特徴とする請求項１または２に記載の撮像素子。
【請求項４】
前記予め決められた条件は、設定された感度が予め決められた感度以下であることを特徴とする請求項３に記載の撮像素子。
【請求項５】
前記予め決められた条件は、被写体が予め決められた明るさよりも明るいことを特徴とする請求項３に記載の撮像素子。
【請求項６】
前記増加手段は、複数の蓄電素子と、前記フローティングデフュージョン部と前記複数の蓄電素子との間にそれぞれ設けられた複数のスイッチと、を含むことを特徴とする請求項１に記載の撮像素子。
【請求項７】
前記制御手段は、更に、設定された感度が予め決められた感度以下の場合に、前記予め決められた感度より高い場合よりも多くの蓄電素子を前記フローティングデフュージョン部に追加するように制御することを特徴とする請求項６に記載の撮像素子。
【請求項８】
前記制御手段は、更に、被写体の明るさが予め決められた明るさ以上の場合に、前記予め決められた明るさより暗い場合よりも多くの蓄電素子を前記フローティングデフュージョン部に追加するように制御することを特徴とする請求項６に記載の撮像素子。
【請求項９】
前記制御手段は、前記光電変換手段から前記フローティングデフュージョン部に電荷を転送する前に、前記増加手段により前記フローティングデフュージョン部の容量を増加するように制御することを特徴とする請求項１乃至８のいずれか１項に記載の撮像素子。
【請求項１０】
請求項１乃至９のいずれか１項に記載された撮像素子と、
前記撮像素子から出力された信号を処理する処理手段と
を有することを特徴とする撮像装置。
【請求項１１】
前記撮像素子から出力された信号を増幅する増幅手段を更に有し、
前記増幅手段は、前記制御手段により前記フローティングデフュージョン部の容量が増加された場合に、増加した容量に応じて、前記増幅手段のゲインを変更することを特徴とする請求項１０に記載の撮像装置。
【請求項１２】
静止画撮影及び動画撮影が可能であって、全画素読み出しが不可能なフレームレートで動画撮影を行う場合に、前記制御手段は、複数の画素ずつ同時に選択して信号を出力させるように制御することを特徴とする請求項１０または１１に記載の撮像装置。
【請求項１３】
複数の列出力線と、前記複数の列出力線それぞれに接続された複数の画素と、各列出力線に、前記複数の画素の内、選択した画素から信号を出力するように制御する制御手段と、を有し、前記複数の画素がそれぞれ、光電変換手段と、前記光電変換手段から転送された電荷を保持するためのフローティングデフュージョン部と、前記フローティングデフュージョン部の容量を増加する増加手段とを含む、撮像素子の制御方法であって、
前記制御手段が、予め決められた条件に基づいて、前記複数の画素のうちの複数の画素を同時に選択して信号を出力させるか否かを判断する判断工程と、
前記制御手段が、前記複数の画素のうちの複数の画素を同時に選択して信号を出力させる場合に、前記光電変換手段から前記フローティングデフュージョン部に電荷を転送する前に、前記増加手段により前記フローティングデフュージョン部の容量を増加させる増加工程と
を有することを特徴とする制御方法。
【請求項１４】
判定手段が、設定された感度が予め決められた感度以下であるかどうかを判定する工程を更に有し、
前記増加工程では、前記設定された感度が予め決められた感度以下の場合に、前記フローティングデフュージョン部の容量を増加させることを特徴とする請求項１３に記載の制御方法。
【請求項１５】
判定手段が、被写体の明るさが予め決められた明るさ以上であるかどうかを判定する工程を更に有し、
前記増加工程では、前記被写体の明るさが予め決められた明るさ以上の場合に、前記フローティングデフュージョン部の容量を増加させることを特徴とする請求項１３に記載の制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、カメラ等の撮像装置で使用される撮像素子から、複数の画素の信号を混合して出力するための技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、撮像素子から画素信号を混合して高速に読み出すことにより、高フレームレートを達成する撮像装置が実用化されている。また、画素信号を混合する際の課題に対しても様々な解決策が提案されている。
【０００３】
例えば、特許文献１では、同じ列に配列された複数の画素の信号を垂直出力線に同時に読み出すことにより画素信号を混合する場合、混合する画素数に応じて垂直出力線の電流値を最適な値に切り替えることが提案されている。具体的には、画素信号を混合しない場合に比べて画素信号を混合する場合は垂直出力線の電流を増加させる。また、混合する画素数を増加させる毎に垂直出力線の電流を増加させるようにして、画素信号を混合するための最適範囲を拡大している。このように電流を変える理由は、画素信号すなわち垂直出力線上の振幅が大きく、且つ混合する画素信号の差が大きい場合、信号が大きい方の画素の回路電流が減少し、正しく画素信号を混合することができなくなるので、その電流を補うためである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１０−２５９０２７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１に記載されているように最適に画素信号を混合しようとすると、消費電力を大きく増加させてしまう。
【０００６】
本発明は上記問題点を鑑みてなされたものであり、撮像素子において、消費電力を増加させることなく、垂直出力線（列出力線）上で画素信号の混合を最適に行えるようにすることを目的とする。
【０００７】
また、Ｓ／Ｎを悪化させることなく、垂直出力線（列出力線）上での画素信号の混合を行えるようにすることを更なる目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的を達成するために、本発明の撮像素子は、複数の列出力線と、前記複数の列出力線それぞれに接続された複数の画素と、各列出力線に、前記複数の画素の内、選択した画素から信号を出力するように制御する制御手段と、を有し、前記複数の画素は、それぞれ光電変換手段と、前記光電変換手段から転送された電荷を保持するためのフローティングデフュージョン部と、前記フローティングデフュージョン部の容量を増加する増加手段とを含み、前記制御手段は、前記複数の画素のうちの複数の画素を同時に選択して信号を出力させる場合に、前記増加手段により前記フローティングデフュージョン部の容量を増加するように制御する。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、撮像素子において、消費電力を増加させることなく、列出力線上で画素信号の混合を最適に行えるようにすることができる。
【００１０】
また、Ｓ／Ｎを悪化させることなく、列出力線上での画素信号の混合を行えるようにすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の実施形態における撮像素子の概略図。
【図２】実施形態における撮像素子の画素部及び読み出し部の構成を示す図。
【図３】実施形態における撮像装置の読み出し動作を説明するタイミングチャート。
【図４】実施形態における撮像装置による画素信号混合時の電圧の変化を説明する図。
【図５】実施形態における撮影条件と各部の設定の一例を示す表。
【図６】変形例における撮像素子の画素部の構成を示す図。
【図７】変形例における撮影条件と各部の設定の一例を示す表。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、添付図面を参照して本発明を実施するための形態を詳細に説明する。
【００１３】
図１は本発明の実施形態における撮像装置に使用される撮像素子の概略図である。図１において、撮像素子１００は、画素部１０１、垂直走査部１０２、読み出し部１０３、水平走査部１０４、差分出力回路１１０を有する。画素部１０１には、後述する構成を有する複数の画素２００が行列状に配置されており、不図示の光学系により結像された光学像を受光する。
【００１４】
なお、撮像素子１００は、上記の各回路にタイミング信号を提供するタイミングジェネレータ等を備えても良い。
【００１５】
図２は、画素部１０１を構成する画素２００のうち、１列２行分の画素の構成と、１列分の読み出し部１０３の構成を示す図である。
【００１６】
フォトダイオード（ＰＤ）２０１は、不図示の光学系を介して入射する光を光電変換して光電荷を生成する。転送ＭＯＳトランジスタ２０２はＰｔｘ（ｎ）信号（ｎは行を表す変数）により制御され、オンの時にＰＤ２０１により生成された光電荷をフローティングデフュージョン部（ＦＤ）２０８に転送する。転送された光電荷はＦＤ２０８に一旦保持される。
【００１７】
リセットＭＯＳトランジスタ２０３は、Ｐｒｅｓ（ｎ）信号により制御され、オンされると、電源電圧ＶＤＤによりＦＤ２０８をリセットする。また、転送ＭＯＳトランジスタ２０２を同時にオンすることで、ＰＤ２０１もリセットすることができる。
【００１８】
ＦＤ２０８に保持された電荷は、Ｐｓｅｌ（ｎ）信号により制御される選択ＭＯＳトランジスタ２０５がオンとなると、増幅ＭＯＳトランジスタ２０４を介して垂直出力線（列出力線）２１０に出力される。増幅ＭＯＳトランジスタ２０４は、選択ＭＯＳトランジスタ２０５を介して垂直出力線負荷２１１と接続されることで、ソースフォロワアンプとして機能する。
【００１９】
また、ＦＤ２０８には、Ｐｆｄ（ｎ）信号により駆動されるＦＤ増加スイッチ２０７を介して、蓄電素子２０６が接続されている。ＦＤ増加スイッチ２０７をオンすることで、蓄電素子２０６を追加し、フローティングデフュージョン部の容量を増加させ、増幅ＭＯＳトランジスタ２０４から出力される信号の振幅を減少させることができる。
【００２０】
なお、Ｐｔｘ（ｎ）信号、Ｐｒｅｓ（ｎ）信号、Ｐｓｅｌ（ｎ）信号、Ｐｆｄ（ｎ）信号は、それぞれ図１の垂直走査部１０２により駆動される。
【００２１】
垂直出力線（列出力線）２１０に出力された信号は読み出し部１０３に入力され、増幅アンプ２１２により増幅される。このとき、後述するようにして読み出された画素２００のリセット解除後の出力（ノイズ信号）は、ＰＴＮパルスにより制御されるＭＯＳスイッチ２１４を介して、蓄電素子２１６に保持される。また、光信号は、ＰＴＳパルスにより制御されるＭＯＳスイッチ２１３を介して、蓄電素子２１５に保持される。このようにして読み出し部１０３の蓄電素子２１６及び２１５にそれぞれ読み出されたノイズ信号及び光信号は、水平走査部１０４により制御されるｐｈ信号によって列毎に順に選択され、差分出力回路１１０により差分された信号が出力される。
【００２２】
撮像装置は、不図示の信号処理部により、上記構成を有する撮像素子から出力された信号に公知の処理を施すことにより、記録のための画像データの生成を含む各種処理を行う。
【００２３】
次に、上記構成を有する撮像素子１００の本実施形態における駆動方法について、図３のタイミングチャートを参照して説明する。ここでは、行列状に配置された画素２００のうち、ｉ行目とｉ＋１行目の画素２００を読みだす場合について説明する。図３において、横軸は時間を表している。また、信号の後の括弧内では、信号を出力する行を表している。
【００２４】
図３（ａ）は、ｉ行目とｉ＋１行目の画素２００から信号をそれぞれ独立に読み出す動作を示している。図３（ａ）において、ＨＤ信号は、１行分の画素２００から信号の読み出しを行う毎（１水平期間毎）にローレベルからハイレベルになる。また、各制御信号がハイレベルのときに、対応するトランジスタがオンになるものとする。なお、ここでは説明を簡略化するため時刻Ｔ１以前に画素２００のＰＤ２０１の蓄積が行われているものとし、時刻Ｔ１以降の説明を行う。
【００２５】
図３（ａ）に示す制御では、Ｐｆｄ（ｉ）信号、Ｐｆｄ（ｉ＋１）信号は常時ローレベル、すなわちＦＤ増加スイッチ２０７をオフとし、フローティングデフュージョンの容量（ＦＤ容量）は増加させない（通常容量）状態とする。
【００２６】
まず、時刻Ｔ２においてＨＤ信号がローレベルからハイレベルになり、Ｐｓｅｌ（ｉ）信号がハイレベルになることで、ｉ行目が選択され、ｉ行目の画素２００が垂直出力線（列出力線）２１０に接続される。このときＰｒｅｓ（ｉ）信号はハイレベルで、ｉ行目の画素２００のＦＤ２０８は電源電圧ＶＤＤにリセットされた状態である。
【００２７】
次に、時刻Ｔ３からＴ４の間、ＰＴＳパルス及びＰＴＮパルスがハイレベルになることで、ＭＯＳスイッチ２１３、２１４がオンとなり、蓄電素子２１５、２１６がリセットされる。時刻Ｔ５でＰｒｅｓ（ｉ）信号がローレベルになり、ＦＤ２０８のリセットが解除される。
【００２８】
その後、時刻Ｔ６からＴ７の間、ＰＴＮパルスが再びハイレベルになることでＭＯＳスイッチ２１４がオンとなり、ｉ行目の画素２００のリセット解除後の出力（ノイズ信号）が蓄電素子２１６に保持される。次に、時刻Ｔ８からＴ９の間、ＰＴＸ（ｉ）信号がハイレベルになることで、選択行の全ての画素２００において、ＰＤ２０１から、光信号がＦＤ２０８に転送される。その後、時刻Ｔ９からＴ１０の間、ＰＴＳパルスが再びハイレベルになることでＭＯＳスイッチ２１３がオンとなり、ｉ行目の画素２００からの出力（光信号＋ノイズ信号）が蓄電素子２１５に保持される。
【００２９】
続く時刻Ｔ１０からＴ１１の間に、蓄電素子２１５に保持された光信号＋ノイズ信号及び蓄電素子２１６に保持されたノイズ信号が水平走査部１０４によりｐｈパルスを駆動することで後段の差分出力回路１１０に転送され、その差分である光信号が出力される。
【００３０】
時刻Ｔ１１でＰｒｅｓ（ｉ）信号がハイレベルになり、時刻Ｔ１２で再びＨＤ信号がローレベルからハイレベルになる。時刻Ｔ１２からは、次の行（ここではｉ＋１行目）の画素２００を選択するようＰｓｅｌ（ｉ）信号がローレベル、Ｐｓｅｌ（ｉ＋１）信号がハイレベルになり、ｉ＋１行目の画素２００の読み出しが、ｉ行目の画素２００の読み出しと同様にして行われる。このようにして、行毎に読み出しを繰り返すことで、１画面分の全ての画素２００から信号の読み出しを行い、被写体を撮像した１画面分の画素信号を得ることができる。
【００３１】
図３（ｂ）は、ｉ行目とｉ＋１行目の２行分の画素２００を同時に垂直出力線（列出力線）２１０に接続することで、垂直方向（列方向）に２つの画素２００の信号を混合して出力する場合の駆動方法を示す。
【００３２】
ＨＤ信号は、混合される２行分（ここでは、ｉ行とｉ＋１行）の画素２００から信号の読み出しを行う毎（１水平期間毎）にローレベルからハイレベルになるものとする。また、各制御信号がハイレベルの時に、対応するトランジスタがオンになるものとする。なお、図３（ａ）と同様に、ここでは説明を簡略化するため時刻Ｔ１以前に画素２００のＰＤ２０１の蓄積が行われているものとし、時刻Ｔ１以降の説明を行う。
【００３３】
なお、図３（ｂ）に示す制御においても、Ｐｆｄ（ｉ）信号、Ｐｆｄ（ｉ＋１）信号は常時ローレベル、すなわちＦＤ増加スイッチ２０７をオフとし、ＦＤ容量は増加させない（通常容量）状態とする。
【００３４】
まず、時刻Ｔ２においてＨＤ信号がローレベルからハイレベルになり、Ｐｓｅｌ（ｉ）信号及びＰｓｅｌ（ｉ＋１）信号がハイレベルになることで、ｉ行目及びｉ＋１行目の画素２００が垂直出力線（列出力線）２１０に接続される。このとき、Ｐｒｅｓ（ｉ）信号及びＰｒｅｓ（ｉ＋１）信号はハイレベルで、ｉ行目及びｉ＋１行目の画素２００のＦＤ２０８はリセットされた状態である。
【００３５】
次に、時刻Ｔ３からＴ４の間、ＰＴＳパルス及びＰＴＮパルスがハイレベルになることで、ＭＯＳスイッチ２１３、２１４がオンとなり、蓄電素子２１５、２１６がリセットされる。時刻Ｔ５でＰｒｅｓ（ｉ）信号及びＰｒｅｓ（ｉ＋１）信号がローレベルになり、ＦＤ２０８のリセットが解除される。
【００３６】
その後、時刻Ｔ６からＴ７の間、ＰＴＮパルスが再びハイレベルになることでＭＯＳスイッチ２１４がオンとなり、ｉ行目及びｉ＋１行目の画素２００のリセット解除後の出力（ノイズ信号）が蓄電素子２１６に保持される。次に、時刻Ｔ８からＴ９の間、Ｐｔｘ（ｉ）信号及びＰｔｘ（ｉ＋１）信号がハイレベルになることで、選択行（ここではｉ行目及びｉ＋１行目）の全ての画素２００において、ＰＤ２０１から、光電荷がＦＤ２０８に転送される。その後、時刻Ｔ９からＴ１０の間、ＰＴＳパルスが再びハイレベルになることでＭＯＳスイッチ２１３がオンとなり、ｉ行目及びｉ＋１行目の画素２００からの出力（光信号＋ノイズ信号）が蓄電素子２１５に保持される。
【００３７】
続く時刻Ｔ１０からＴ１１の間に、蓄電素子２１５に保持された光信号＋ノイズ信号及び蓄電素子２１６に保持されたノイズ信号が水平走査部１０４によりｐｈパルスを駆動することで後段の差分出力回路１１０に転送され、その差分である光信号が出力される。
【００３８】
時刻Ｔ１１でＰｒｅｓ（ｉ）信号、Ｐｒｅｓ（ｉ＋１）信号がハイレベルになり、時刻Ｔ１２で再びＨＤ信号がローレベルからハイレベルになる。時刻Ｔ１２からは、次の行（ここではｉ＋２行目及びｉ＋３行目）の画素２００を選択するようにＰｓｅｌ（ｉ）信号及びＰｓｅｌ（ｉ＋１）信号がローレベル、Ｐｓｅｌ（ｉ＋２）信号及びＰｓｅｌ（ｉ＋３）信号がハイレベルになる。これにより、次の２行の画素２００の読み出しがｉ行目及びｉ＋１行目の画素２００の読み出しと同様にして行われる。このように画素信号を混合して読み出しを繰り返すことで、１画面分の全ての画素２００から信号の読み出しを行い、被写体を撮像した１画面分の垂直方向（列方向）の２画素の信号が混合された画素信号を得ることができる。
【００３９】
図３（ｃ）は、図３（ｂ）と同様に、ｉ行目とｉ＋１行目の２行分の画素２００を同時に垂直出力線（列出力線）２１０に接続することで、垂直方向（列方向）に２つの画素２００の信号を混合して出力する場合の駆動方法を示す。図３（ｂ）と異なるのは、Ｐｆｄ（ｉ）信号、Ｐｆｄ（ｉ＋１）信号は常時ハイレベル、すなわちＦＤ増加スイッチ２０７をオンとし、ＦＤ容量を増加させている状態とした点である。その他の動作タイミングは、図３（ｂ）と同じであるので、その他の動作の説明は省略する。
【００４０】
図４は、フローティングデフュージョンの電圧（ＦＤ電圧）Ｖｆｄに対する垂直出力線（列出力線）２１０の電圧Ｖｏを表すグラフであり、横軸がＦＤ電圧Ｖｆｄ、縦軸が垂直出力線（列出力線）２１０の電圧Ｖｏを表している。また、図４では、高コントラスト被写体からの光を受光しているものとして、２つの画素２００の信号を混合して読み出す場合に、一方の画素２００は光を受光し、他方の画素２００は全く光を受光していないものとして説明する。
【００４１】
曲線４０１は、受光している画素２００のみが垂直出力線（列出力線）２１０と接続されている場合のＦＤ電圧Ｖｆｄと垂直出力線（列出力線）２１０の電圧Ｖｏとの関係を示している。曲線４０２は、受光している画素２００と受光していない画素２００の２つを同時に垂直出力線（列出力線）２１０と接続することで画素信号を混合した場合に、受光している画素２００のＦＤ電圧Ｖｆｄと垂直出力線（列出力線）２１０の電圧Ｖｏとの関係を示している。
【００４２】
図４（ａ）は、図３（ｂ）で説明した駆動により垂直方向（列方向）に２つの画素２００の信号を混合して出力する場合の関係を示している。曲線４０１では、受光している画素２００のＦＤ電圧ＶｆｄがＦＤリセット電圧であるＶｆｄｒｅｓから、ＰＤが飽和状態で信号転送されたときのＦＤ電圧であるＶｐｄｓａｔ１の範囲（ΔＶ１）で、垂直出力線（列出力線）２１０の電圧Ｖｏが直線的に変化している。
【００４３】
一方、画素信号を混合した場合を示す曲線４０２は、２つの画素２００の信号が正しく混合されれば、曲線４０１の傾きの１／２の傾きを有する直線になるはすである。しかしながら実際には、受光している画素２００のＦＤ電圧ＶｆｄがＦＤリセット電圧ＶｆｄｒｅｓからΔＶ２だけ変化した点付近を変曲点にして曲線となり、特許文献１に記載されているように、ついには変化しなくなってしまう。つまり、曲線になった領域では正しく混合されていないということである。
【００４４】
従って、２つの画素２００の信号を正しく混合する場合は、図４（ｂ）に示すように、次のような範囲で駆動することが好ましい。すなわち、画素２００のＦＤ電圧Ｖｆｄが、ＦＤリセット電圧Ｖｆｄｒｅｓから、ＰＤが飽和状態で信号転送されたときのＦＤ電圧であるＶｐｄｓａｔ３（ΔＶ３）だけ変化した点までの十分直線性を確保できる範囲である。
【００４５】
図３（ｃ）により説明したように、２つの画素信号を混合する際、Ｐｆｄ（ｎ）信号を常時ハイレベルにしてＦＤ増加スイッチ２０７をオンにしておくことで、ＦＤ容量を増加させることができる。これにより、同じ光量を受光したＰＤからの信号が転送されても、図４（ｂ）のΔＶ３の範囲にＦＤ電圧変化範囲を狭めることができる。
【００４６】
一方、通常のカメラなどの撮像装置においては、撮影する被写体輝度に応じて後段の増幅部のゲインを変更できる仕組み（ＩＳＯ感度設定）を持つのが一般的である。例えば、明るい被写体を撮影する際はＩＳＯ１００などの低感度に設定し、後段のゲインを下げ、暗い被写体を撮影する際はＩＳＯ１６００などの高感度に設定し、後段のゲインを上げる、といった制御を行っている。後段の増幅部でゲインを掛けた後の出力範囲をＩＳＯ感度設定によらず一定にした場合、低感度ではフローティングデフュージョンの電圧範囲（ＦＤ電圧範囲）が大きく、高感度ではＦＤ電圧範囲が小さくなる。
【００４７】
図３（ｃ）に示す駆動で垂直方向（列方向）に２つの画素２００の信号を混合して出力するようにして、ＩＳＯ感度を変更した場合、ＦＤ電圧範囲は図４（ｂ）に示すようになる。例えば、ＩＳＯ１００、ＩＳＯ２００、ＩＳＯ４００のＦＤ電圧範囲は、夫々、ΔＶ３、ΔＶ４、ΔＶ５となり、ΔＶ３＝２×ΔＶ４＝４×ΔＶ５である。ここで、ＦＤ容量を増加させるとＰＤからの光信号出力が減少してしまうことから、特に、高ＩＳＯ感度設定時のＳ／Ｎが悪化するということが知られている。
【００４８】
従って、図３（ｃ）のようなＦＤ容量を増加させる駆動は、低ＩＳＯ感度設定時に限定し、それ以外のＩＳＯ感度設定時には、図３（ｂ）のようにＦＤ容量を増加させない駆動にすれば、高ＩＳＯ感度設定時のＳ／Ｎ悪化を防ぐことが可能である。このとき、高ＩＳＯ感度設定時のＦＤ電圧範囲が増えてしまうが、垂直出力線（列出力線）２１０の電圧Ｖｏの直線性を確保できる範囲内であれば、垂直方向（列方向）における２つの画素の出力信号の混合を正しく行うことができる。
【００４９】
ＩＳＯ感度、ＦＤ容量、及び後段の増幅部のゲインの組み合わせの一例を図５の表で示す。ＩＳＯはＩＳＯ感度、ＴｆｄはＰｆｄ信号により駆動されるＦＤ増加スイッチ２０７のＯＮ／ＯＦＦを示し、Ｃｆｄは合計のＦＤ容量の割合を示している。ＦＤ増加スイッチ２０７がオフ（Ｔｆｄ＝ＯＦＦ）の場合、蓄電素子２０６は接続されないため、合計のＦＤ容量は１倍、オン（Ｔｆｄ＝ＯＮ）の場合は蓄電素子２０６が接続されるため、合計のＦＤ容量は２倍となる。Ｖｆｄｒは被写体を撮影する際のＦＤ電圧範囲の割合を示し、ｇａｉｎは後段の増幅部のゲイン（増幅率）を示している。なお、ここでは、ＦＤ２０８の容量と蓄電素子２０６の容量は同じとする。
【００５０】
図５（ａ）に示す組み合わせでは、どのＩＳＯ感度においてもＦＤ増加スイッチ２０７はオフ（Ｔｆｄ＝ＯＦＦ）状態である。この駆動は、特に低ＩＳＯ感度でのＦＤ電圧範囲が大きいため画素信号を混合しないと判断された場合の撮影（例えば、低フレームレートでの動画撮影、静止画撮影など）において用いられる。例えば、ＩＳＯ１００ではＦＤ電圧範囲の割合Ｖｆｄｒは１、そのときの後段の増幅率ｇａｉｎは１、また、ＩＳＯ２００ではＦＤ電圧範囲の割合Ｖｆｄｒは１／２であるが、後段の増幅率ｇａｉｎは２倍としている。
【００５１】
図５（ｂ）に示す駆動は、ＩＳＯ１００の場合だけＦＤ増加スイッチ２０７をオン（Ｔｆｄ＝ＯＮ）状態にすることでＦＤ容量を２倍に増加させ、ＦＤ電圧範囲の割合を１／２にしている。その他のＩＳＯ感度においてはＦＤ増加スイッチ２０７をオフ（Ｔｆｄ＝ＯＦＦ）状態にしている。この駆動は画素信号を混合すると判断された場合の撮影（例えば、全画素読み出しが不可能な高フレームレートでの動画撮影など）において用いられる。ＩＳＯ１００でＦＤ電圧範囲の割合Ｖｆｄｒを１／２、そのときの後段の増幅率ｇａｉｎは２倍、その他のＩＳＯ感度では図５（ａ）と同様の駆動にしている。
【００５２】
図５（ｂ）のように画素信号を混合する場合、設定されたＩＳＯ感度を判定し、低ＩＳＯ感度ではＦＤ容量を増加させ、ＦＤ電圧範囲が減少した分を後段で増幅することで、最適な画素信号の混合を行うことができる。また、他のＩＳＯ感度（高ＩＳＯ感度）ではＦＤ容量を増加していないため、高Ｓ／Ｎな画素信号が得られる。
【００５３】
＜変形例＞
図６は、本発明の実施形態の変形例における、撮像素子の画素３００を説明する図である。なお、図２と同じ構成には同じ参照番号を付している。図２に示す画素２００の構成との違いは、ＦＤ２０８に、Ｐｆｄ２信号により駆動される第２のＦＤ増加スイッチ３０９を介して接続される第２の蓄電素子３１０が接続されている点である。第２のＦＤ増加スイッチ３０９をオンすることで、ＦＤ容量を増加させ、画素３００から出力する信号の振幅を減少させる。なお、Ｐｆｄ２信号も図１に示す垂直走査部１０２により駆動される。
【００５４】
図６の構成を有する画素３００により構成される撮像素子１００に対する、ＩＳＯ感度毎の駆動方法について、図７の表により説明する。図６の表には、Ｐｆｄ２信号により駆動される第２のＦＤ増加スイッチ３０９のＯＮ／ＯＦＦを示すＴｆｄ２が追加されている。ここでは、第２の蓄電素子３１０の容量は、ＦＤ２０８及び蓄電素子２０６の容量の２倍とする。
【００５５】
ＦＤ増加スイッチ２０７及び第２のＦＤ増加スイッチ３０９が共にオフ（Ｔｆｄ＝ＯＦＦ、Ｔｆｄ２＝ＯＦＦ）の場合、蓄電素子２０６、蓄電素子３１０は接続されず、合計のＦＤ容量は１倍となる。ＦＤ増加スイッチ２０７がオン（Ｔｆｄ＝ＯＮ）、第２のＦＤ増加スイッチ３０９がオフ（Ｔｆｄ２＝ＯＦＦ）の場合、蓄電素子２０６は接続されるが蓄電素子３１０は接続されず、合計のＦＤ容量は２倍となる。また、ＦＤ増加スイッチ２０７及び第２のＦＤ増加スイッチ３０９が共にオン（Ｔｆｄ＝ＯＮ、Ｔｆｄ２＝ＯＮ）の場合は、蓄電素子２０６、蓄電素子３１０が接続され、合計のＦＤ容量は４倍となる。Ｖｆｄｒは被写体を撮影する際のＦＤ電圧範囲の割合を示し、ｇａｉｎは後段の増幅部のゲインを示している。
【００５６】
図７（ａ）に示す組み合わせでは、どのＩＳＯ感度においても、ＦＤ増加スイッチ２０７及び第２のＦＤ増加スイッチ３０９はオフ（Ｔｆｄ＝ＯＦＦ、Ｔｆｄ２＝ＯＦＦ）状態である。この駆動は、特に低ＩＳＯ感度でのＦＤ電圧範囲が大きいため画素信号を混合しないと判断された場合の撮影（例えば、低フレームレートでの動画撮影、静止画撮影など）において用いられる。例えば、ＩＳＯ１００ではＦＤ電圧範囲の割合Ｖｆｄｒは１、そのときの後段の増幅率ｇａｉｎは１倍、また、ＩＳＯ２００ではＦＤ電圧範囲の割合Ｖｆｄｒは１／２であるが、後段の増幅器のゲインｇａｉｎは２倍としている。
【００５７】
図７（ｂ）に示す駆動では、ＩＳＯ１００の場合に、ＦＤ増加スイッチ２０７及び第２のＦＤ増加スイッチ３０９を共にオン（Ｔｆｄ＝ＯＮ、Ｔｆｄ２＝ＯＮ）状態にし、ＦＤ容量を４倍に増加させ、ＦＤ電圧範囲の割合を１／４にしている。また、ＩＳＯ２００の場合に、ＦＤ増加スイッチ２０７をオン（Ｔｆｄ＝ＯＮ）、第２のＦＤ増加スイッチ３０９をオフ（Ｔｆｄ２＝ＯＦＦ）状態にし、ＦＤ容量を２倍に増加させ、ＦＤ電圧範囲の割合Ｖｆｄｒを１／２にしている。その他のＩＳＯ感度ではＦＤ増加スイッチ及び第２のＦＤ増加スイッチを共にオフ（Ｔｆｄ＝ＯＦＦ、Ｔｆｄ２＝ＯＦＦ）状態にしている。
【００５８】
図７（ｂ）に示す駆動は、画素信号の混合を行うと判断された場合の撮影（例えば、全画素読み出しが不可能な高フレームレートでの動画撮影など）において用いられる。特にＦＤ容量を増加しない場合のＦＤ容量が特に小さい構成の撮像素子において、非常に有効である。この例の場合、ＩＳＯ１００でＦＤ電圧範囲の割合Ｖｆｄｒは１／４、そのときの後段の増幅のゲインｇａｉｎは４倍である。また、ＩＳＯ２００でＦＤ電圧範囲の割合Ｖｆｄｒは１／４、そのときの後段の増幅率ｇａｉｎは４倍、その他のＩＳＯ感度では図７（ａ）と同様の駆動にしている。
【００５９】
図７（ｂ）のように駆動することで、ＦＤ容量が特に小さい構成の撮像素子において画素信号を混合する場合、低ＩＳＯ感度ではＦＤ容量を増加させ、ＦＤ電圧範囲が減少した分を後段で増幅することで、最適な画素信号の混合を行うことができる。また、他のＩＳＯ感度（高ＩＳＯ感度）ではＦＤ容量を増加していないため、高Ｓ／Ｎな画素信号が得られる。
【００６０】
なお、上述した実施形態及び変形例では、図２に示すように、画素信号を混合する画素を連続する２画素としているが、本発明はこれに限定されるものではない。例えばベイヤ配列の同色画素からの信号を２画素分以上混合する場合であっても本発明を適用可能である。
【００６１】
また、図２及び図６において、画素選択手段として選択ＭＯＳトランジスタ２０５を用いているが、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、増幅ＭＯＳトランジスタ２０４を活性化させ、垂直出力線（列出力線）２１０に出力させることができる他の回路構成を用いてもよい。
【００６２】
また、図２及び図６においてＦＤ増加スイッチ２０７、第２のＦＤ増加スイッチ３０９のソースには、他端が接地された蓄電素子２０６、３１０が接続されているが、本発明の効果を実現できる容量を有するのであれば、寄生容量でも構わない。
【００６３】
また、変形例を説明する図６において、ＦＤ増加スイッチ及び蓄電素子を更に追加して、適宜ＦＤ増加スイッチをオン／オフさせれば、更に最適な画素信号の混合が可能になる。
【００６４】
また、上述した実施形態及び変形例では、画素信号を混合して読み出す場合であって、且つ、低ＩＳＯ感度（予め決められた感度以下）の場合に、ＦＤ容量を増加させるものとした。しかしながら、ＩＳＯ感度に関係なく、画素信号を混合して読み出す場合、一律にＦＤ容量を増加させる構成としてもよい。
【００６５】
また、上述した実施形態及び変形例では、ＩＳＯ感度を条件の１つとして、ＦＤ容量を増加させるか否かを制御するものとしたが、本発明はＩＳＯ感度に限るものではなく、例えば、被写体の明るさに基づいて制御しても良い。この場合、測光値が予め決められた値よりも高く、ＦＤ２０８の電圧の変動が図４（ｂ）のΔＶ３の範囲に収まらない場合に、ＦＤ容量を増加させるように制御することが考えられる。
【符号の説明】
【００６６】
１００：撮像素子、１０１：画素部、１０２：垂直走査部、１０３：読み出し部、２００、３００：画素、２０１：フォトダイオード（ＰＤ）、２０５：選択ＭＯＳトランジスタ、２０６、３１０：蓄電素子、２０７：ＦＤ増加スイッチ、２０８：フローティングデフュージョン部（ＦＤ）、２１０：垂直出力線、３０９：第２のＦＤ増加スイッチ
【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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