(57)【要約】【課題】  各々が複数のフォトダイオードを有する単位画素に強い光が入射した場合に、その画素と同一行に発生する横帯状のノイズを低減させる。【解決手段】  １つのマイクロレンズと複数の光電変換部を有する単位画素がアレイ状に配置された固体撮像装置であって、前記単位画素の出力信号が所定レベル以上であるかを判定し、判定結果に応じて前記複数の光電変換部のうち信号を出力する光電変換部の数を制御する。【選択図】  図３
2015211400.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
各々が１つのマイクロレンズと２つの光電変換部を有する複数の単位画素が行方向および列方向において二次元状に配置された撮像素子と、
前記単位画素の各々の出力信号が所定レベル以上であるか否かを判定する判定手段と、
前記判定手段の判定結果に応じて、前記単位画素における２つの光電変換部のうち、信号を出力する光電変換部の数を制御する制御手段と、
を有することを特徴とする撮像装置。
【請求項２】
前記制御手段は、前記判定手段により前記出力信号が所定レベル以上であると判定された単位画素について、前記２つの光電変換部の一方の光電変換部の信号を出力しないように制御することを特徴とする請求項１に記載の撮像装置。
【請求項３】
前記単位画素は、フローティングディフュージョン部と、前記複数の光電変換部の電荷を前記フローティングディフュージョン部に転送する複数の転送手段と、前記フローティングディフュージョン部をリセットするリセット手段と、前記フローティングディフュージョン部に転送された電荷に基づいて増幅した信号を出力するための増幅部とをさらに備え、前記制御手段は、前記複数の転送手段を制御して信号を出力する光電変換部の数を制御することを特徴とする請求項１または２に記載の撮像装置。
【請求項４】
複数の単位画素が接続された出力線と、前記出力線に出力された信号を保持する保持手段と、前記単位画素からの信号を前記出力線を通して前記保持手段に転送するための転送手段とをさらに有し、前記制御手段は、前記転送手段を制御して信号を出力する光電変換部の数を制御することを特徴とする請求項１または２に記載の撮像装置。
【請求項５】
前記制御手段は、制御対象となる単位画素よりも前に読み出された行の単位画素の信号に基づいて、信号を出力する光電変換部の数を制御することを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の撮像装置。
【請求項６】
前記制御手段は、制御対象となるフレームよりも前に撮像されたフレームの信号に基づいて、信号を出力する光電変換部の数を制御することを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の撮像装置。
【請求項７】
各々が１つのマイクロレンズと２つの光電変換部を有する複数の単位画素が行方向および列方向において二次元状に配置された撮像素子を有する撮像装置の制御方法であって、
前記単位画素の各々の出力信号が所定レベル以上であるか否かを判定手段が判定する工程と、
前記判定手段の判定結果に応じて、前記単位画素における２つの光電変換部のうち、信号を出力する光電変換部の数を制御手段が制御する工程と、
を有することを特徴とする撮像装置の制御方法。
【請求項８】
前記制御手段は、前記判定手段により前記出力信号が所定レベル以上であると判定された単位画素について、前記２つの光電変換部の一方の光電変換部の信号を出力しないように制御することを特徴とする請求項７に記載の撮像装置の制御方法。
【請求項９】
前記単位画素は、フローティングディフュージョン部と、前記複数の光電変換部の電荷を前記フローティングディフュージョン部に転送する複数の転送手段と、前記フローティングディフュージョン部をリセットするリセット手段と、前記フローティングディフュージョン部に転送された電荷に基づいて増幅した信号を出力するための増幅部とをさらに備え、前記制御手段は、前記複数の転送手段を制御して信号を出力する光電変換部の数を制御することを特徴とする請求項７または８に記載の撮像装置の制御方法。
【請求項１０】
前記撮像装置は、複数の単位画素が接続された出力線と、前記出力線に出力された信号を保持する保持手段と、前記単位画素からの信号を前記出力線を通して前記保持手段に転送するための転送手段とをさらに有し、前記制御手段は、前記転送手段を制御して信号を出力する光電変換部の数を制御することを特徴とする請求項７または８に記載の撮像装置の制御方法。
【請求項１１】
前記制御手段は、制御対象となる単位画素よりも前に読み出された行の単位画素の信号に基づいて、信号を出力する光電変換部の数を制御することを特徴とする請求項７乃至１０のいずれか１項に記載の撮像装置の制御方法。
【請求項１２】
前記制御手段は、制御対象となるフレームよりも前に撮像されたフレームの信号に基づいて、信号を出力する光電変換部の数を制御することを特徴とする請求項７乃至１０のいずれか１項に記載の撮像装置の制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、撮像装置およびその駆動方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、デジタルスチルカメラやデジタルビデオカメラなどの撮像装置に用いられる固体撮像素子の多機能化が進んでいる。
【０００３】
特許文献１では、固体撮像素子において、瞳分割方式の焦点検出が可能な技術が開示されている。特許文献１によると、撮像素子の１つの画素（単位画素）は、２つのフォトダイオードを有しており、各フォトダイオードは１つのマイクロレンズによって、撮影レンズの異なる瞳を通過した光を受光するよう構成されている。したがって、２つのフォトダイオードからの出力信号を比較することで、撮影レンズでの焦点検出が可能となる。また、２つのフォトダイオードからの出力信号を加算することで、撮影画像の信号を得ることができる。
【０００４】
ところで、複数の単位画素が行列状に配置された固体撮像素子において、高輝度の被写体を撮像し、画素に強い光が入射した場合、その画素と同じ行の画素信号を列読み出し回路から読み出す際に、列読み出し回路の電源電圧等が変動してしまう場合がある。この場合、読み出している行全体の出力が変動してしまい、画像に横帯状のノイズが発生し、画質を劣化させてしまう。特許文献２では、水平オプティカルブラック（ＯＢ）領域の画素信号を使って、上記横帯状のノイズを補正する技術が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００１−１２４９８４号
【特許文献２】特開２００９−５１６９号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、特許文献２に記載されているような補正技術では、水平ＯＢ領域のランダムノイズ等の影響により、前記したような横帯状のノイズを精度よく補正することは困難であった。また、特許文献１では、横帯状のノイズへの対策については、特に述べられていない。
【０００７】
本発明はこのような課題に鑑み、単位画素内に複数のフォトダイオードを有する固体撮像装置において、画素に強い光が入射した場合に、その画素と同一行に発生する横帯状のノイズを低減させることが可能な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】
【０００８】
前記目的を達成するために、本発明の撮像装置は、各々が１つのマイクロレンズと２つの光電変換部を有する複数の単位画素が行方向および列方向において二次元状に配置された撮像素子と、前記単位画素の各々の出力信号が所定レベル以上であるか否かを判定する判定手段と、前記判定手段の判定結果に応じて、前記単位画素における２つの光電変換部のうち、信号を出力する光電変換部の数を制御する制御手段と、を有することを特徴とする。
【０００９】
また、各々が１つのマイクロレンズと２つの光電変換部を有する複数の単位画素が行方向および列方向において二次元状に配置された撮像素子を有する撮像装置の制御方法であって、前記単位画素の各々の出力信号が所定レベル以上であるか否かを判定手段が判定する工程と、前記判定手段の判定結果に応じて、前記単位画素における２つの光電変換部のうち、信号を出力する光電変換部の数を制御手段が制御する工程と、を有することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、単位画素内に複数のフォトダイオードを有する撮像装置において、画素に強い光が入射した場合に、その画素と同一行に発生する横帯状のノイズを低減させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】実施例１の撮像装置の画素配置概略図である。
【図２】実施例１の撮像装置の全体ブロック図である。
【図３】実施例１の撮像装置の単位画素の回路図である。
【図４】実施例１の撮像装置の読み出し回路の回路図である。
【図５】実施例１の撮像装置の駆動タイミングチャートである。
【図６】実施例１のＡ＋Ｂ出力画像の例である。
【図７】各行の読み出し動作と高輝度判定の対応関係を説明する図である。
【図８】実施例２の撮像装置の単位画素の回路図である。
【図９】実施例２の撮像装置の読み出し回路の回路図である。
【図１０】実施例２の撮像装置の駆動タイミングチャートである。
【図１１】実施例３の撮像装置の全体ブロック図である。
【図１２】実施例３の撮像装置の読み出し回路の回路図である。
【図１３】実施例３の撮像装置の高輝度画素判定部の回路図である。
【図１４】実施例３の撮像装置の駆動タイミングチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、図面を参照して本発明の実施形態を詳細に説明する。なお、以下に説明する実施形態は、本発明の実現手段としての一例であり、本発明が適用される装置の構成や各種条件によって適宜修正又は変更されるべきものであり、本発明は以下の実施形態に限定されるものではない。
【００１３】
（実施例１）
図１は、本発明の実施例１による撮像装置における固体撮像素子の画素配置概略図である。画素領域２００には複数の単位画素１００が行方向および列方向において二次元状に配置され、各単位画素１００は、マイクロレンズ１１０と第１のフォトダイオード１０１Ａおよび第２のフォトダイオード１０１Ｂを備える。第１のフォトダイオード１０１Ａは、マイクロレンズ１１０を通して撮影レンズの出射瞳の一部の領域を通過する光を受光する。また、第２のフォトダイオード１０１Ｂは、マイクロレンズ１１０を通して撮影レンズの出射瞳の別の一部の領域を通過する光を受光する。したがって、フォトダイオード１０１Ａと１０１Ｂの信号を比較することで位相差の検知が可能となる。ここで、フォトダイオード１０１Ａ、１０１Ｂからの画像信号をそれぞれ、Ａ信号、Ｂ信号とする。フォトダイオード１０１Ａおよび１０１Ｂ両方の信号を足し合わせたものをＡ＋Ｂ信号とする。Ａ＋Ｂ信号は撮影画像として用いられる。
【００１４】
つぎに、図２は、本発明の実施例１による撮像装置の全体ブロック図である。撮影レンズ１１１０は、レンズ駆動回路１１０９によってズーム制御、フォーカス制御、絞り制御などが行われ、被写体の光学像を撮像素子１１０１に結像させる。撮像素子１１０１は、撮影レンズ１１１０により結像された被写体の光学像を光電変換して画像信号として取り込むためのであり、図１に示した画素配置をもつ。タイミング発生回路１１０２は、撮像素子１１０１に駆動タイミング信号を出力する。信号処理回路１１０３は、撮像素子１１０１より出力される画像信号に各種の補正処理を施したり、データを圧縮したりする。なお、本実施例の撮像装置は、撮像素子１１０１から焦点検出用のＡ信号と撮像用のＡ＋Ｂ信号を出力し、信号処理回路１１０３でＡ＋Ｂ信号とＡ信号の差分からもう一つの焦点検出用信号であるＢ信号を生成する。
【００１５】
全体制御・演算回路１１０４は、撮像装置全体を制御するとともに各種演算を行う。また、全体制御・演算回路１１０４では、Ａ信号およびＢ信号を用いた焦点検出動作も行う。メモリ１１０５は、画像データを一時的に記憶し、表示回路１１０６は、各種情報や撮影画像を表示する。半導体メモリ等の着脱可能な記録回路１１０７は、画像データを記録する。操作回路１１０８は、デジタルカメラの操作部材の操作者による操作内容を電気的に受け付けるものである。
【００１６】
信号処理回路１１０３の内部には、高輝度画素判定部１１１１が設けられている。ここでは、高輝度被写体を撮像し、強い光が入射している画素を高輝度画素と定義し、強い光が入射していない画素を非高輝度画素と定義する。高輝度画素判定部１１１１は、撮像素子１１０１からのＡ＋Ｂ信号を所定の閾値（所定レベル）と比較し、高輝度画素であるか、或いは非高輝度画素であるのかを判定する。
【００１７】
すなわち、単位画素１００の各々の出力信号（Ａ＋Ｂ信号）が所定レベル以上であるか否かを判定し、Ａ＋Ｂ信号が所定レベル以上であると判定された単位画素１００が高輝度画素であると判定する。また、Ａ＋Ｂ信号が所定レベル未満であると判定された単位画素１００については、非高輝度画素であると判定する。
【００１８】
図６にＡ＋Ｂ出力画像の例を示す。例えば、第０行では、すべての画素が低輝度画素と判定され、第３行では、第３〜５列目の画素が高輝度画素と判定されている。このように判定は行単位で行われ、その判定結果に応じて画素毎に高輝度画素用または低輝度画素用の駆動タイミング信号がタイミング発生回路１１０２から送出される。なお、本実施例では、各行の高輝度判定結果は、その行の２つ下の行の駆動タイミングに適用する。すなわち、第０行目の高輝度判定結果は、第２行目の駆動タイミングに適用し、第３行目の高輝度判定結果は、第５行目の駆動タイミングに適用する。この駆動タイミングの詳細については後述する。
【００１９】
つぎに、図２に示した撮像素子１１０１の回路構成について、図３および図４を用いて説明する。図３は、本実施例による撮像素子１１０１の単位画素１００の回路図である。第１のフォトダイオード１０１Ａ、第２のフォトダイオード１０１Ｂは、同一のマイクロレンズを通過した光を受光し、その受光量に応じた信号電荷を生成する光電変換部として機能する。第１の転送スイッチ１０２Ａ、第２の転送スイッチ１０２Ｂは、それぞれフォトダイオード１０１Ａ、１０１Ｂで発生した電荷を共通のフローティングディフュージョン領域１０３に転送する。転送スイッチ１０２Ａ、１０２Ｂは、それぞれ転送パルス信号ＰＴＸＡ、ＰＴＸＢによって制御される。さらに、転送パルス信号ＰＴＸＢは、制御信号ＰＸによって制御されるスイッチ１０９を介してスイッチ１０２Ｂに入力されるように構成されている。
【００２０】
フローティングディフュージョン領域１０３は、フォトダイオード１０１Ａおよび１０１Ｂから転送された電荷を一時的に保持するとともに、保持した電荷を電圧信号に変換する電荷電圧変換部として機能する。増幅部１０４は、ソースフォロワＭＯＳトランジスタで構成され、フローティングディフュージョン領域１０３に保持した電荷に基づく電圧信号を増幅して、画素信号として出力する。
【００２１】
リセットスイッチ１０５は、リセットパルス信号ＰＲＥＳによって制御され、フローティングディフュージョン領域１０３の電位を共通電源１０８の基準電位ＶＤＤにリセットする。選択スイッチ１０６は、垂直選択パルス信号ＰＳＥＬによって制御され、増幅部１０４で増幅された画素信号を垂直出力線１０７に出力する。信号ＰＴＸＡ、ＰＴＸＢ、ＰＲＥＳ、ＰＳＥＬは、それぞれ行毎に共通の信号線を通して入力される。一方、信号ＰＸは、列毎に共通の信号線を通して入力される。スイッチ１０９は、高輝度時に第２のフォトダイオード１０１Ｂの信号出力を制御する。
【００２２】
図４は、本実施例による撮像素子の読み出し回路について説明する図である。画素領域２００は、複数の単位画素１００が行列状に配置されている。なお、ここでは説明を簡略化するために３×４画素で示してあるが、実際の画素数はさらに多い。
【００２３】
垂直走査回路２０１は、各行の画素毎に共通の駆動信号線２２２を通して各駆動パルスを送出する。なお、駆動信号線２２２は、簡略化のため各行毎に１本ずつ図示してあるが、実際には各行毎に信号ＰＴＸＡ、ＰＴＸＢ、ＰＲＥＳ、ＰＳＥＬの駆動信号線が接続される。また、信号ＰＸの駆動信号線２２７は、列毎に共通である。
【００２４】
同じ列の単位画素１００は、共通の垂直出力線１０７に接続されており、各画素からの信号は、この垂直出力線１０７を介して共通の列読み出し回路２０３に入力される。そして、列読み出し回路２０３で処理された信号は、水平走査回路２２０により順次出力アンプ２２１に出力される。垂直出力線１０７には、電流源負荷２０２が接続される。
【００２５】
つぎに、列読み出し回路２０３の具体的な回路構成について説明する。電源線２０７は、基準電圧Ｖｒｅｆをオペアンプ２０６に供給する。また、電源線２２５は、電源電圧ＶＤＤをオペアンプ２０６に供給する。クランプ容量２０４の一端には、垂直出力線１０７が接続されている。フィードバック容量２０５及びクランプスイッチ２２６は、オペアンプ２０６の入力端と出力端との間に並列に接続されている。クランプスイッチ２２６は、信号ＰＣ０Ｒにより制御され、フィードバック容量２０５の両端をショートさせる。オペアンプ２０６の出力端は、スイッチ２１２〜２１５を介して容量２０８〜２１１に接続されている。
【００２６】
容量２０８、２０９は、それぞれＡ＋Ｂ信号の信号レベルおよび、リセット信号レベルを保持する。容量２１０、２１１は、それぞれＡ信号の信号レベルおよび、リセット信号レベルを保持する。スイッチ２１２〜２１５は、容量２０８〜２１１への書き込みを制御する。スイッチ２１２は信号ＰＴＳＡＢにより制御され、スイッチ２１４は信号ＰＴＳＡにより制御される。スイッチ２１３、２１５は信号ＰＴＮにより制御される。スイッチ２１６〜２１９は、水平走査回路２２０からの信号を受けて、容量２０８〜２１１に保持された信号を出力アンプ２２１に出力する。
【００２７】
容量２０８、２１０に書き込まれた信号は共通出力線２２３を介して、また、容量２０９、２１１に書き込まれた信号は共通出力線２２４を介して、出力アンプ２２１に出力される。リセットスイッチ２２９、２３０は、信号ＰＣＨＲにより制御され、共通出力線２２３、２２４をリセット電圧ＶＣＨＲにリセットする。
【００２８】
ここで、高輝度の強い光が画素に入射した際に横帯状のノイズが発生する原因について述べる。単位画素１００に高輝度の光が入射した場合、単位画素１００で発生する電荷量は大きい値になる。そのため、単位画素１００で発生した電荷に応じた信号をオペアンプ２０６で増幅し、容量を充電するための電流の負荷は大きくなり、電源線２２５にも大きな電流が流れ、配線抵抗により電源線２２５の電位が一時的に低下してしまう。そして、容量２０８に保持される信号レベルにずれが生じる。電源線２２５は各列の読み出し回路に対して共通であるため、同じタイミングで保持される別の列の信号レベルにもずれが生じ、その結果、出力画像には横帯状のノイズが発生する。
【００２９】
そこで、本実施例では、図２の高輝度画素判定部１１１１により高輝度画素と判定された単位画素では、単位画素内にある２つのフォトダイオードの内、一方のフォトダイオードの信号電荷を読み出さないように駆動する。そうすることで、列読み出し回路に入力される信号レベルを小さくし、高輝度の光が入射した場合の画像データに横帯状のノイズが発生することを防止できる。図５は、実施例１の駆動タイミングチャートである。具体的な駆動方法について図５を用いて説明する。
【００３０】
時刻ｔ１において、リセットスイッチ１０５の制御信号ＰＲＥＳがＨになっている状態で転送スイッチ１０２Ａおよび１０２Ｂの制御信号ＰＴＸＡおよびＰＴＸＢをＨとすることにより、フォトダイオード１０１Ａ，１０１Ｂをリセットする。時刻ｔ２において、制御信号ＰＴＸＡおよびＰＴＸＢをＬとし、フォトダイオード１０１Ａ，１０１Ｂにおける光電荷の蓄積を開始する。
【００３１】
設定された蓄積時間だけ光電荷の蓄積を行った後、時刻ｔ３において、選択スイッチ１０６の制御信号ＰＳＥＬをＨにして選択スイッチ１０６をＯＮし、増幅部１０４を垂直出力線１０７と接続する。さらに、高輝度画素判定部１１１１で高輝度と判定された単位画素に対しては、制御信号ＰＸをＬとしてスイッチ１０９をＯＦＦする。一方、非高輝度と判定された単位画素に対しては、制御信号ＰＸをＨに維持する。
【００３２】
時刻ｔ４において、リセットスイッチ１０５の制御信号ＰＲＥＳをＬとすることで、フローティングディフュージョン領域１０３のリセットを解除する。このときのフローティングディフュージョン領域１０３の電位を増幅部１０４により垂直出力線１０７にリセット信号レベルとして読み出し、列読み出し回路２０３に入力する。
【００３３】
列読み出し回路２０３では、オペアンプ２０６が基準電圧Ｖｒｅｆの出力をバッファする状態（信号ＰＣ０ＲがＨでスイッチ２２６がＯＮの状態）でリセット信号レベルが入力される。その後、時刻ｔ５において信号ＰＣ０ＲをＬとし、そのときの基準電圧Ｖｒｅｆの出力を容量ＣＴＮ２０９、２１１へ書き込むために、時刻ｔ６において信号ＰＴＮをＨとしてスイッチ２１３、２１５をＯＮする。そして、時刻ｔ７において信号ＰＴＮをＬとして、スイッチ２１３、２１５をＯＦＦして書き込みを終了する。
【００３４】
つぎに、時刻ｔ８において信号ＰＴＸＡをＨとして転送スイッチ１０２ＡをＯＮし、時刻ｔ９で信号ＰＴＸＡをＬとすることにより転送スイッチ１０２ＡをＯＦＦする。この動作によりフォトダイオード１０１Ａに蓄積された光電荷がフローティングディフュージョン領域１０３へ読み出される。そして、そのときのフローティングディフュージョン部１０３の電荷に応じた出力電圧が増幅部１０４および垂直出力線１０７を介して読み出し回路２０３へ供給される。
【００３５】
列読み出し回路２０３では、クランプ容量２０４とフィードバック容量２０５の比率で電圧変化に対し反転ゲインがかかり出力される。この電圧を容量２１０へ書き込むために、時刻ｔ１０において信号ＰＴＳＡをＬからＨに切り替えてスイッチ２１４をＯＮする。そして、時刻ｔ１１において信号ＰＴＳＡをＨからＬに切り替えてスイッチ２１４をＯＦＦし、書き込みを終了する。
【００３６】
つぎに、時刻ｔ１２において、非高輝度画素（時刻ｔ３において、制御信号ＰＸをＨのまま維持した画素）においては、再び信号ＰＴＸＡをＨとして転送スイッチ１０２ＡをＯＮすると同時に、信号ＰＴＸＢもＨとして転送スイッチ１０２ＢをＯＮする。この動作により、フォトダイオード１０１Ａと１０１Ｂの双方に蓄積された光電荷が同時にフローティングディフュージョン領域１０３へ読み出される。
【００３７】
一方、高輝度画素（時刻ｔ３において、制御信号ＰＸをＬとした画素）においても、信号ＰＴＸＡをＨとして転送スイッチ１０２ＡをＯＮすることで、フォトダイオード１０１Ａの光電荷のみがフローティングディフュージョン領域１０３へ読み出される。しかしながら、制御信号ＰＸがＬであるために信号ＰＴＢＸはＬのままであり、転送スイッチ１０２ＢはＯＦＦ状態が維持され、フォトダイオード１０１Ｂの光電荷はフローティングディフュージョン領域１０３に読み出されない。
【００３８】
非高輝度画素、高輝度画素の各々において、フローティングディフュージョン領域１０３に読み出された電荷に応じた出力電圧が増幅部１０４および垂直出力線１０７を介して読み出し回路２０３へ供給される。
【００３９】
この電圧を容量２０８に書き込むために、時刻ｔ１４において信号ＰＴＳＡＢをＬからＨへ切り替えてスイッチ２１２をＯＮする。そして、時刻ｔ１５で信号ＰＴＳＡＢをＨからＬに切り替えてスイッチ２１２をＯＦＦして、書き込みを終了する。このとき、高輝度画素については、フォトダイオード１０１Ａの出力信号（Ａ信号）のみが読み出されるため、フォトダイオード１０１Ａおよび１０１Ｂの出力信号の和（Ａ＋Ｂ信号）を読み出す場合に比べて電源線２２５に流れる電流が小さくなる。その結果、横帯状のノイズの発生を抑えることができる。
【００４０】
その後、容量２０８と容量２０９の差電圧をとることで、フォトダイオード１０１Ａおよび１０１Ｂからの出力信号の和であるＡ＋Ｂ信号が得られる。このＡ＋Ｂ信号は撮影画像となる。なお、高輝度画素と判定され、フォトダイオード１０１Ａの信号（Ａ信号）のみが読み出された画素については、全体制御・演算回路１１０４において、所定の飽和信号レベル等に置換して、Ａ＋Ｂ信号とすればよい。
【００４１】
また、容量２１０と容量２１１の差電圧をとることにより、フォトダイオード１０１Ａからの出力信号であるＡ信号が得られる。このＡ信号から撮影レンズの瞳の一部を透過する光束の情報が得られ、さらにＡ＋Ｂ信号とＡ信号の差をとることにより、フォトダイオード１０１Ｂからの出力信号であるＢ信号が得られる。このＢ信号からは、Ａ信号とは異なる瞳領域を透過する光束の情報が得られる。これらＡ信号とＢ信号から得られる２つの光束の情報から距離情報を得ることができる。
【００４２】
つぎに、時刻ｔ１６において信号ＰＲＥＳをＨとして、フローティングディフュージョン領域１０３をリセット状態にする。その後、時刻ｔ１７〜ｔ１８の間に、水平走査回路２２０の駆動パルスＰＨＡが列読み出し回路毎に順次Ｌ→Ｈ→Ｌとなり、それに伴い、スイッチ２１８、２１９がＯＦＦ→ＯＮ→ＯＦＦとなる。スイッチ２１８、２１９がＯＦＦ→ＯＮ→ＯＦＦとなった列の容量２１０、２１１に保持された信号は、共通出力線２２３、２２４へそれぞれ読み出され、出力アンプ２２１で差電圧として出力される。この差電圧がＡ信号となる。
【００４３】
つぎに、時刻ｔ１８〜ｔ１９の間に、水平走査回路２２０の駆動パルスＰＨＡＢが列読み出し回路毎に順次Ｌ→Ｈ→Ｌとなり、それに伴い、スイッチ２１６、２１７がＯＦＦ→ＯＮ→ＯＦＦとなる。スイッチ２１６、２１７がＯＦＦ→ＯＮ→ＯＦＦとなった列の容量２０８、２０９に保持された信号は、共通出力線２２３、２２４へそれぞれ読み出され、出力アンプ２２１で差電圧として出力される。この差電圧がＡ＋Ｂ信号となる。
【００４４】
なお、共通出力線２２３、２２４は、各列の読み出し毎に、駆動パルスＰＣＨＲがＬ→Ｈ→Ｌとなり、リセットスイッチ２２９、２３０がＯＦＦ→ＯＮ→ＯＦＦとなって、共通出力線２２３、２２４は電圧ＶＣＨＲにリセットされる。これらの動作が各行毎に順次行われ、Ａ信号、Ａ＋Ｂ信号の読み出しが完了する。
【００４５】
図７は、各行の読み出し動作と高輝度画素判定部１１１１で行う高輝度判定の対応関係を説明する図である。０行目の読み出し動作３０１では、図５に示した駆動タイミングの動作を行い、撮像素子１１０１から０行目の画素信号が読み出される。その後、０行目の画素信号は、高輝度画素判定部１１１１において、高輝度画素か非高輝度画素かの判定動作３０２が行われる。０行目における高輝度判定の判定結果は、２行目の読み出し動作の駆動制御に反映される。この０行目の高輝度判定を行っている間には、１行目の読み出し動作が行われる。
【００４６】
同様に、２行目の読み出し動作中には、１行目の画素信号の高輝度判定が行われ、この判定結果は、３行目の読み出し動作の駆動制御に反映される。このように、ｎ行目の画素信号の高輝度判定とｎ＋１行目の読み出し動作が同時に行われ、ｎ行目の画素信号の高輝度判定は、制御対象となるｎ＋２行目の読み出し動作の駆動制御に反映される。なお、０行目と１行目の読み出し動作には、全画素について、低輝度画素用の駆動制御が適用される。
【００４７】
また、本実施例では、高輝度画素の判定結果を駆動制御に適用させる画素は、同一フレームの２行後の画素としているが、例えば、連写や動画などの連続撮影において、次のフレームの同一行の画素に対して適用させてもよい。
【００４８】
以上のような駆動制御を行うことで、高輝度画素はＡ＋Ｂ信号を読み出す際に、単位画素内にある２つのフォトダイオードの内、一方のフォトダイオードの信号電荷を読み出さないように駆動することができる。そのため、列読み出し回路に入力される信号レベルを小さくし、高輝度の光が入射した場合に、撮影された画像に横帯状のノイズが発生することを防止できる。
【００４９】
（実施例２）
次に、本発明の実施例２について説明する。実施例１では、高輝度画素において、単位画素内にある２つのフォトダイオードの内、一方のフォトダイオードの信号電荷を読み出さないように駆動する。そのために、各画素にスイッチ１０９を設けるとともに、列毎に制御パルスＰＸを供給するための制御線を設ける必要があり、画素領域の回路規模が増大してしまう。そこで、本実施例では、画素領域に上記スイッチ１０９や制御線を設ける必要のない構成について述べる。
【００５０】
図８は、本発明の実施例２による撮像素子１１０１の単位画素１００の回路図であり、実施例１で説明した図３に対応する。図８において、図３と同一の機能を有する部分については図３と同じ番号で示し、その説明を省略する。なお、図８において図３と異なる部分は、スイッチ１０９を備えていない点のみである。
【００５１】
図９は、本発明の実施例２による撮像素子の読み出し回路について説明する図であり、実施例１で説明した図４に対応する。図９において、図４と同一の機能を有する部分については図４と同じ番号で示し、その説明を省略する。なお、図９では、図４における画素列毎の制御信号ＰＸを供給する信号線を備えていない。その代わりに、列読み出し回路２０３に切り替えスイッチ２２８が追加されている。切り替えスイッチ２２８は、スイッチ２１２に供給される制御信号をＰＴＳＡＢ１またはＰＴＳＡＢ２のいずれかに切り替えるためのものである。すなわち、切り替えスイッチ２２８は制御信号ＰＹによって制御され、制御信号ＰＹがＬの状態では、スイッチ２１２に制御信号ＰＴＳＡＢ１が供給される。また、制御信号ＰＹがＨの状態では、スイッチ２１２に制御信号ＰＴＳＡＢ２が供給される。制御信号ＰＹは、各列読み出し回路毎にそれぞれ供給される。
【００５２】
図１０は、実施例２の駆動タイミングチャートである。実施例１と同様に、高輝度判定部１１１１により、各単位画素が高輝度画素と非高輝度画素のいずれに該当するか判定される。図１０において、時刻ｔ１〜ｔ１１の制御は、実施例１で説明した図５と同一であるため、説明を省略する。
【００５３】
ここで、実施例２では、実施例１で説明した制御信号ＰＸの代わりに、前述した制御信号ＰＹが供給される。制御信号ＰＹは、高輝度画素と非高輝度画素とで供給されるパルスのパターンが異なる。すなわち、時刻ｔ３において、高輝度画素判定部１１１１で高輝度と判定された単位画素に対しては、制御信号ＰＹをＬとしてスイッチ１０９をＯＦＦする。一方、非高輝度と判定された単位画素に対しては、制御信号ＰＹをＨに維持する。
【００５４】
時刻ｔ２０〜２１では、信号ＰＴＸＡのみをＬ→Ｈ→Ｌとする。この動作により、フォトダイオード１０１Ａに蓄積された光電荷がフローティングディフュージョン領域１０３に読み出される。時刻ｔ２２〜ｔ２３において、信号ＰＴＳＡＢ１をＬ→Ｈ→Ｌとする。このとき、非高輝度画素では制御信号ＰＹがＨとなっているため、スイッチ２１２には信号ＰＴＳＡＢ１が供給されず、スイッチ２１２はＯＦＦのままである。一方、高輝度画素では制御信号ＰＹがＬとなっているため、スイッチ２１２に信号ＰＴＳＡＢ１が供給される。そしてスイッチ２１２がＯＮし、フォトダイオード１０１Ａの出力信号（Ａ信号）が容量２０８に書き込まれる。
【００５５】
つぎに、時刻ｔ２４〜ｔ２５において、信号ＰＴＸＡおよびＰＴＸＢを同時にＬ→Ｈ→Ｌとする。この動作により、フォトダイオード１０１Ａおよび１０１Ｂの双方に蓄積された光電荷がフローティングディフュージョン領域１０３に読み出される。時刻ｔ２６〜ｔ２７において、信号ＰＴＳＡＢ２をＬ→Ｈ→Ｌとする。このとき、非高輝度画素では制御信号ＰＹがＨとなっているため、スイッチ２１２に信号ＰＴＳＡＢ２が供給される。そしてスイッチ２１２がＯＮし、フォトダイオード１０１Ａおよび１０１Ｂの出力信号（Ａ＋Ｂ信号）が容量２０８に書き込まれる。一方、高輝度画素では制御信号ＰＹがＬとなっているため、スイッチ２１２には信号ＰＴＳＡＢ２が供給されず、スイッチ２１２はＯＦＦのままである。そのため、フォトダイオード１０１Ａおよび１０１Ｂの出力信号（Ａ＋Ｂ信号）は容量２０８に書き込まれない。
【００５６】
以上の動作で、高輝度画素においては、フォトダイオード１０１Ａの信号が容量２０８に書き込まれ、非高輝度画素においては、フォトダイオード１０１Ａと１０１Ｂの双方の信号が容量２０８に書き込まれた状態となる。なお、時刻ｔ２８〜ｔ３１の制御は、図５の時刻ｔ１６〜ｔ１９と同一であるため、説明を省略する。
【００５７】
以上のような駆動を行うことで、実施例１と同様に、Ａ＋Ｂ信号を読み出す際に、高輝度画素では、単位画素内にある２つのフォトダイオードの内、一方のフォトダイオードの信号電荷を読み出さないように駆動することができる。そして、列読み出し回路に入力される信号レベルを小さくし、高輝度の光が入射した場合に横帯状のノイズが発生することを防止できる。
【００５８】
（実施例３）
次に、本発明の実施例３について説明する。実施例１、２では、高輝度画素判定部１１１１の判定結果を２行下の行の読み出し動作の駆動パターンに適用していたが、本実施例では、高輝度判定結果を同じ行の読み出し動作の駆動パターンに適用可能な構成について述べる。
【００５９】
図１１は、本発明の実施例３による撮像装置の全体ブロック図であり、実施例１で説明した図２に対応する。図１１において、図２と同一の機能を有する部分については図２と同じ番号で示し、その説明を省略する。なお、図１１において図２と異なる部分は、信号処理回路１１０３が高輝度画素判定部１１１１を備えていない点のみである。
【００６０】
図１２は、本実施例３における撮像素子の読み出し回路について説明する図であり、実施例２で説明した図９に対応する。図１２において、図９と同一の機能を有する部分については図９と同じ番号で示し、その説明を省略する。なお、単位画素１００は、図８に示した単位画素の回路図と同じである。
【００６１】
図１２に示すように、本実施例の撮像素子は、列読み出し回路２０３が高輝度画素判定部４０１を備えている。高輝度画素判定部４０１は、垂直出力線１０７に出力された各単位画素の画素信号の電圧と判定基準電圧とを比較し、比較結果を信号線４０２に出力する。また、Ａ＋Ｂ信号を容量２０８へ書き込むためのスイッチ２１２のＯＮ／ＯＦＦを制御する制御信号ＰＴＳＡＢを供給する信号線の途中には、スイッチ４０３が設けられている。スイッチ４０３は、信号線４０２を通して高輝度画素判定部４０１から出力される信号によって、そのＯＮ／ＯＦＦが制御される。
【００６２】
図１３は、高輝度画素判定部４０１の回路図である。電圧判定トランジスタ５００は、一端が垂直出力線１０７に接続され、他端が判定書き込み用トランジスタ５０５に接続される。電圧判定トランジスタ５００のゲート端子には、判定基準電圧Ｖｒｅｆ２が印加される。電圧判定トランジスタ５００の閾値電圧をＶｔｈとして、垂直出力線１０７の電圧がＶｒｅｆ２−Ｖｔｈよりも低くなった場合に、電圧判定トランジスタ５００がＯＮする。そのため、垂直出力線１０７の電圧と判定基準電圧Ｖｒｅｆ２とを比較して、画素信号が高輝度か判定することができる。
【００６３】
判定書き込み用トランジスタ５０５は、電圧判定トランジスタ５００の判定結果を判定保持容量５０４へ書き込むためのスイッチであり、制御信号ＰＣＭＰによって制御され、制御信号ＰＣＭＰがＨの場合にＯＮする。判定保持容量５０４は、電圧判定トランジスタ５００の判定結果を保持する。リセットトランジスタ５０３は、制御信号ＰＣＭＰＲによって制御され、判定保持容量５０４を電源電圧ＶＤＤにリセットする。具体的には、制御信号ＰＣＭＰＲがＨの場合にリセットトランジスタ５０３がＯＮし、判定保持容量５０４に保持されている電圧を電源電圧ＶＤＤにリセットする。
【００６４】
これにより、判定保持容量５０４が電源電圧ＶＤＤを保持した後で、電圧判定トランジスタ５００での判定を行う。そして、垂直出力線１０７に出力された画素信号の電圧がＶｒｅｆ２−Ｖｔｈ以上である場合には、判定保持容量５０４は電源電圧ＶＤＤ（Ｈレベル）をそのまま保持する。一方、垂直出力線１０７に出力された画素信号の電圧がＶｒｅｆ２−Ｖｔｈよりも低い場合には、電圧判定トランジスタ５００がＯＮし、判定保持容量５０４により保持される電圧はＬレベルとなる。したがって、高輝度画素判定部４０１は、画素信号が非高輝度である場合にＨレベルを出力し、画素信号が高輝度である場合にはＬレベルを出力する。
【００６５】
図１４は、実施例３の駆動タイミングチャートである。本実施例では、まずＡ信号を読み出し、読み出したＡ信号に対して高輝度画素判定を行う。その後、Ａ＋Ｂ信号を読み出す際に、Ａ信号の高輝度画素判定で、高輝度と判定された画素に対しては、Ａ＋Ｂ信号を読み出さないようにスイッチ４０３を制御する。図１４において、時刻ｔ１〜ｔ３、ｔ４〜ｔ１１の制御は、実施例２で説明した図１０と同一であるため、説明を省略する。
【００６６】
図１４において、時刻ｔ４０では、制御信号ＰＣＭＰＲをＨ→Ｌとして、高輝度画素判定部４０１のリセットトランジスタ５０３をＯＮからＯＦＦにし、判定保持容量５０４のリセット状態を解除する。次に、時刻ｔ４１において、制御信号ＰＣＭＰをＨとして、判定書き込み用トランジスタ５０５をＯＮし、電圧判定トランジスタ５００の判定結果を判定保持容量５０４に書き込める状態にする。このとき、高輝度画素判定部４０１から信号線４０２へはＨレベルの判定信号が出力されているため、スイッチ４０３はＯＮになっている。
【００６７】
時刻ｔ８〜ｔ９では、信号ＰＴＸＡのみをＬ→Ｈ→Ｌとする。この動作により、フォトダイオード１０１Ａに蓄積された光電荷がフローティングディフュージョン領域１０３に読み出される。ここで、高輝度画素においては、垂直出力線１０７に出力される画素信号の電圧が大きく低下し、電圧判定トランジスタ５００がＯＮする。その結果、高輝度画素判定部４０１から信号線４０２には、Ｌレベルの判定信号が出力される。そして、Ｌレベルの判定信号が供給されたスイッチ４０３はＯＦＦする。一方、非高輝度画素においては、電圧判定トランジスタ５００はＯＮしないため、高輝度画素判定部４０１から信号線４０２には、Ｈレベルの判定信号が出力され続ける。そのため、スイッチ４０３はＯＮ状態のままである。時刻ｔ１０〜１１では、信号ＰＴＳＡをＬ→Ｈ→Ｌとして、Ａ信号を容量２１０に書き込む。
【００６８】
つぎに、時刻ｔ４２において、制御信号ＰＣＭＰをＬとして、判定書き込み用トランジスタ５０５をＯＦＦする。時刻ｔ４３〜ｔ４４において、信号ＰＴＸＡおよびＰＴＸＢを同時にＬ→Ｈ→Ｌとする。この動作により、フォトダイオード１０１Ａおよび１０１Ｂの双方に蓄積された光電荷がフローティングディフュージョン領域１０３に読み出される。時刻ｔ４５〜４６において、信号ＰＴＳＡＢをＬ→Ｈ→Ｌとする。
【００６９】
このとき、非高輝度画素ではスイッチ４０３がＯＮになっているため、スイッチ２１２に信号ＰＴＳＡＢが供給される。そして、スイッチ２１２がＯＮし、フォトダイオード１０１Ａおよび１０１Ｂの出力信号（Ａ＋Ｂ信号）が容量２０８に書き込まれる。一方、高輝度画素ではスイッチ４０３がＯＦＦになっているため、スイッチ２１２には信号ＰＴＳＡＢが供給されず、スイッチ２１２はＯＦＦのままである。そのため、フォトダイオード１０１Ａおよび１０１Ｂの出力信号（Ａ＋Ｂ信号）は容量２０８に書き込まれない。
【００７０】
つぎに、時刻ｔ４７において信号ＰＲＥＳをＨとして、フローティングディフュージョン領域１０３をリセット状態にする。その後、時刻ｔ４８〜ｔ４９の間に、水平走査回路２２０の駆動パルスＰＨＡが列読み出し回路毎に順次Ｌ→Ｈ→Ｌとなり、それに伴い、スイッチ２１８、２１９がＯＦＦ→ＯＮ→ＯＦＦとなる。スイッチ２１８、２１９がＯＦＦ→ＯＮ→ＯＦＦとなった列の容量２１０、２１１に保持された信号は、共通出力線２２３、２２４へそれぞれ読み出され、出力アンプ２２１で差電圧として出力される。この差電圧がＡ信号となる。
【００７１】
つぎに、時刻ｔ４９〜ｔ５０の間に、水平走査回路２２０の駆動パルスＰＨＡＢが列読み出し回路毎に順次Ｌ→Ｈ→Ｌとなり、それに伴い、スイッチ２１６、２１７がＯＦＦ→ＯＮ→ＯＦＦとなる。スイッチ２１６、２１７がＯＦＦ→ＯＮ→ＯＦＦとなった列の容量２０８、２０９に保持された信号は、共通出力線２２３、２２４へそれぞれ読み出され、出力アンプ２２１で差電圧として出力される。この差電圧がＡ＋Ｂ信号となる。
【００７２】
なお、共通出力線２２３、２２４は、各列の読み出し毎に、駆動パルスＰＣＨＲがＬ→Ｈ→Ｌとなり、リセットスイッチ２２９、２３０がＯＦＦ→ＯＮ→ＯＦＦとなって、共通出力線２２３、２２４は電圧ＶＣＨＲにリセットされる。これらの動作が各行毎に順次行われ、Ａ信号、Ａ＋Ｂ信号の読み出しが完了する。
【００７３】
なお、出力されたＡ＋Ｂ信号画像において、高輝度画素と判定され、信号を読み出さなかった画素は、Ａ信号の出力レベルを所定の閾値と比較することで判別することができる。そのため、該当する画素は、全体制御・演算回路１１０４で所定の飽和信号レベル等に置換すればよい。
【００７４】
以上のような駆動を行うことで、Ａ＋Ｂ信号を読み出す際に、高輝度画素では、単位画素内にある２つのフォトダイオード双方の信号電荷を読み出さないように駆動することができる。そして、高輝度被写体を撮像し、強い光が入射した場合に横帯状のノイズが発生することを防止できる。
【００７５】
（その他の実施例）
本発明は、上述の実施形態の１以上の機能を実現するプログラムを、ネットワーク又は記憶媒体を介してシステム又は装置に供給し、そのシステム又は装置のコンピュータにおける１つ以上のプロセッサーがプログラムを読出し実行する処理でも実現可能である。また、１以上の機能を実現する回路（例えば、ＡＳＩＣ）によっても実現可能である。
【００７６】
以上、本発明の各実施形態について説明したが、本発明はこれらの実施形態に限定されるものではない。
【符号の説明】
【００７７】
１００  単位画素
１０１Ａ  第１のフォトダイオード
１０１Ｂ  第２のフォトダイオード
１０２Ａ  第１の転送スイッチ
１０２Ｂ  第２の転送スイッチ
１０３  フローティングディフュージョン
１０４  増幅部
１０５  リセットスイッチ
１０６  選択スイッチ
１０７  垂直出力線
１０８  共通電源ＶＤＤ
１０９  スイッチ
１１０  マイクロレンズ
２００  画素領域
２０１  垂直走査回路
２０２  電流源付加
２０３  列読み出し回路
２０４  クランプ容量Ｃ０
２０５  フィードバック容量Ｃｆ
２０６  オペアンプ
２０７  基準電圧Ｖｒｅｆの電源線
２０８  容量ＣＴＳＡＢ
２１０  容量ＣＴＳＡ
２０９、２１１  容量ＣＴＮ
２１２〜２１９  スイッチ
２２０  水平走査回路
２２１  出力アンプ
２２３、２２４  共通出力線
２２５  電源電圧ＶＤＤの電源線
２２６  スイッチ
２２７  制御線ＰＸ
２２８  切り替えスイッチ
２２９、２３０  リセットスイッチ
４０１  高輝度画素判定部
４０３  スイッチ
５００  電圧判定トランジスタ
５０３  リセットトランジスタ
５０４  判定保持容量
５０５  判定書き込み用トランジスタ
【図１】
2015211400.tif 000003
【図２】
2015211400.tif 000004
【図３】
2015211400.tif 000005
【図４】
2015211400.tif 000006
【図５】
2015211400.tif 000007
【図６】
2015211400.tif 000008
【図７】
2015211400.tif 000009
【図８】
2015211400.tif 000010
【図９】
2015211400.tif 000011
【図１０】
2015211400.tif 000012
【図１１】
2015211400.tif 000013
【図１２】
2015211400.tif 000014
【図１３】
2015211400.tif 000015
【図１４】
2015211400.tif 000016