(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
光電変換により電荷を生じる光電変換部と、前記光電変換部から転送される電荷を保持する保持部と、前記保持部から転送される電荷に基づく信号を出力する増幅部とをそれぞれが含む複数の画素を有し、
前記複数の画素は、
それぞれのフレームの第１の露光期間の間に前記光電変換部で生じた電荷に基づく信号を出力する画素を含む第１のグループと、
それぞれの前記フレームの第２の露光期間の間に前記光電変換部で生じた電荷に基づく信号を出力する画素を含む第２のグループとを含み、
前記第２の露光期間は、前記第１の露光期間よりも長く、少なくとも一部が前記第１の露光期間と重なっており、
前記第２のグループに属する前記画素は、前記第２の露光期間の間に、
前記光電変換部で生じた電荷を前記光電変換部に蓄積するとともに、前記保持部が保持している電荷を前記増幅部に転送する第１の期間と、
前記第１の期間の間に前記光電変換部で生じた前記電荷を前記保持部が保持するとともに、前記第１の期間の後に前記光電変換部で生じた電荷を前記光電変換部又は前記保持部が保持する第２の期間とを含む
ことを特徴とする撮像装置。
【請求項２】
前記第２のグループに属する前記画素において、前記第１の期間及び前記第２の期間に前記光電変換部で生じた前記電荷は、次のフレームの前記第１の期間に前記保持部に保持されている
ことを特徴とする請求項１記載の撮像装置。
【請求項３】
前記第１のグループに属する前記画素は、前記第１の露光期間の後に、前記第１の露光期間の間に前記光電変換部で生じた電荷を前記保持部が保持する第４の期間を有し、前記第４の期間の間に前記保持部が保持している電荷を前記増幅部に転送する
ことを特徴とする請求項１又は２記載の撮像装置。
【請求項４】
前記第４の期間は、前記第２の期間又は次のフレームの前記第１の期間の間に行われる
ことを特徴とする請求項３記載の撮像装置。
【請求項５】
前記第２の期間の間に前記光電変換部で生じた前記電荷は、前記第２の期間の間に間欠的に前記保持部へ転送される
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】
前記第１のグループに属する前記画素の前記第１の露光期間は一致しており、
前記第２のグループに属する前記画素の前記第２の露光期間は一致している
ことを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の撮像装置。
【請求項７】
前記第１の露光期間の開始時刻と、前記第２の露光期間の開始時刻とが一致している
ことを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の撮像装置。
【請求項８】
前記第１の露光期間の時間重心と、前記第２の露光期間の時間重心とが一致している
ことを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の撮像装置。
【請求項９】
前記第１の露光期間の終了時刻と、前記第２の露光期間の終了時刻とが一致している
ことを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の撮像装置。
【請求項１０】
前記第１のグループの前記画素から出力される前記信号に基づく第１の画像と、前記第２のグループの前記画素から出力される前記信号に基づく第２の画像とから、ワイドダイナミックレンジ画像を取得する
ことを特徴とする請求項１乃至９のいずれか１項に記載の撮像装置。
【請求項１１】
前記第１のグループは、第１の瞳領域を通過した光に基づく信号を出力する第１の画素と、前記第１の瞳領域とは異なる第２の瞳領域を通過した光に基づく信号を出力する第２の画素とを含む
ことを特徴とする請求項１乃至１０のいずれか１項に記載の撮像装置。
【請求項１２】
前記第１の画素及び前記第２の画素は、前記第１の瞳領域を通過した光を光電変換する第１の光電変換素子と、前記第２の瞳領域を通過した光を光電変換する第２の光電変換素子とを含む
ことを特徴とする請求項１１記載の撮像装置。
【請求項１３】
前記第１の画素の前記光電変換部に前記第１の瞳領域を通過した光を選択的に入射し、前記第２の画素の前記光電変換部に前記第２の瞳領域を通過した光を選択的に入射する遮光膜を有する
ことを特徴とする請求項１１記載の撮像装置。
【請求項１４】
前記第１のグループの前記第１の画素及び前記第２の画素から出力される前記信号に基づき焦点検出用信号を取得し、前記第２のグループの前記画素から出力される前記信号に基づき撮像信号を取得する
ことを特徴とする請求項１１乃至１３のいずれか１項に記載の撮像装置。
【請求項１５】
前記第１のグループに属する前記画素は、それぞれのフレームにおいて、前記第１の露光期間の間に前記光電変換部で生じた前記電荷に基づく前記信号と、前記第１の露光期間とは異なる第３の露光期間の間に前記光電変換部で生じた電荷に基づく信号とを出力する
ことを特徴とする請求項１乃至１４のいずれか１項に記載の撮像装置。
【請求項１６】
光電変換により電荷を生じる光電変換部と、前記光電変換部から転送される電荷を保持する保持部と、前記保持部から転送される電荷に基づく信号を出力する増幅部とをそれぞれが含む複数の画素を有する撮像装置の駆動方法であって、
前記複数の画素のうち第１のグループに属する画素については、
それぞれのフレームの第１の露光期間の間に前記光電変換部で生じた電荷を前記光電変換部で蓄積し、
前記第１の露光期間の後に、前記第１の露光期間の間に前記光電変換部で生じた前記電荷を前記保持部から前記増幅部へと転送し、
前記複数の画素のうち第２のグループに属する画素については、
それぞれのフレームの第２の露光期間の第１の期間の間に、前記光電変換部で生じた電荷を前記光電変換部に蓄積するとともに、前記保持部が保持している電荷を前記増幅部に転送し、
前記第２の露光期間の第２の期間の間に、前記第１の期間の間に前記光電変換部で生じた前記電荷を前記保持部で保持するとともに、前記第２の期間の間に前記光電変換部で生じた電荷を前記光電変換部又は前記保持部で保持し、
前記第２の露光期間の後に、前記第１の期間及び前記第２の期間の間に前記光電変換部で生じた前記電荷を前記保持部から前記増幅部へと転送する
ことを特徴とする撮像装置の駆動方法。
【請求項１７】
請求項１乃至１５のいずれか１項に記載の撮像装置と、
前記撮像装置からの信号を処理する信号処理部と
を有することを特徴とする撮像システム。
【請求項１８】
前記信号処理部は、前記第１のグループの前記画素から出力される前記信号に基づき、焦点検出信号を生成する
ことを特徴とする請求項１７記載の撮像システム。
【請求項１９】
前記信号処理部は、前記第１のグループの前記画素から出力される前記信号に基づく第１の画像と、前記第２のグループの前記画素から出力される前記信号に基づく第２の画像とから、ワイドダイナミックレンジ画像を取得する
ことを特徴とする請求項１７記載の撮像システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、撮像装置及び撮像システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、ＣＭＯＳイメージセンサにおいて、グローバル電子シャッタ動作による撮像を行うことが提案されている。特許文献１及び特許文献２には、グローバル電子シャッタを備えた撮像装置が記載されている。グローバル電子シャッタを備えた撮像装置には、動きの速い被写体を撮影する場合でも被写体像がゆがまないという利点がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００４−１１１５９０号公報
【特許文献２】特開２００６−２４６４５０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
発明者らは、グローバル電子シャッタ機能を備えた撮像装置において、多重露光によるダイナミックレンジの拡大や撮像面での焦点検出の高速化などの高機能化が必要であることを見出した。しかしながら、従来の撮像装置では、このような高機能化に適した撮像装置の構成や駆動方法について検討はなされていなかった。
【０００５】
本発明の目的は、グローバル電子シャッタを用いた撮像において、ダイナミックレンジの拡大や焦点検出の高速化を実現しうる撮像装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の一観点によれば、光電変換により電荷を生じる光電変換部と、前記光電変換部から転送される電荷を保持する保持部と、前記保持部から転送される電荷に基づく信号を出力する増幅部とをそれぞれが含む複数の画素を有し、前記複数の画素は、それぞれのフレームの第１の露光期間の間に前記光電変換部で生じた電荷に基づく信号を出力する画素を含む第１のグループと、それぞれの前記フレームの第２の露光期間の間に前記光電変換部で生じた電荷に基づく信号を出力する画素を含む第２のグループとを含み、前記第２の露光期間は、前記第１の露光期間よりも長く、少なくとも一部が前記第１の露光期間と重なっており、前記第２のグループに属する前記画素は、前記第２の露光期間の間に、前記光電変換部で生じた電荷を前記光電変換部に蓄積するとともに、前記保持部が保持している電荷を前記増幅部に転送する第１の期間と、前記第１の期間の間に前記光電変換部で生じた前記電荷を前記保持部が保持するとともに、前記第１の期間の後に前記光電変換部で生じた電荷を前記光電変換部又は前記保持部が保持する第２の期間とを含む撮像装置が提供される。
【０００７】
また、本発明の他の一観点によれば、光電変換により電荷を生じる光電変換部と、前記光電変換部から転送される電荷を保持する保持部と、前記保持部から転送される電荷に基づく信号を出力する増幅部とをそれぞれが含む複数の画素を有する撮像装置の駆動方法であって、前記複数の画素のうち第１のグループに属する画素については、それぞれのフレームの第１の露光期間の間に前記光電変換部で生じた電荷を前記光電変換部で蓄積し、前記第１の露光期間の後に、前記第１の露光期間の間に前記光電変換部で生じた前記電荷を前記保持部から前記増幅部へと転送し、前記複数の画素のうち第２のグループに属する画素については、それぞれのフレームの第２の露光期間の第１の期間の間に、前記光電変換部で生じた電荷を前記光電変換部に蓄積するとともに、前記保持部が保持している電荷を前記増幅部に転送し、前記第２の露光期間の第２の期間の間に、前記第１の期間の間に前記光電変換部で生じた前記電荷を前記保持部で保持するとともに、前記第２の期間の間に前記光電変換部で生じた電荷を前記光電変換部又は前記保持部で保持し、前記第２の露光期間の後に、前記第１の期間及び前記第２の期間の間に前記光電変換部で生じた前記電荷を前記保持部から前記増幅部へと転送する撮像装置の駆動方法が提供される。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、グローバル電子シャッタ機能を備えた撮像装置において、ダイナミックレンジの拡大や焦点検出の高速化を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の第１実施形態による撮像装置の概略構成を示すブロック図である。
【図２】本発明の第１実施形態による撮像装置の画素回路の構成例を示す図である。
【図３】本発明の第１実施形態による撮像装置の画素アレイ部における画素の配置例を示す図である。
【図４】本発明の第１実施形態による撮像装置の動作を示す模式図である。
【図５】本発明の第１実施形態による撮像装置の動作を示すタイミングチャートである。
【図６】本発明の第１実施形態による撮像装置の動作を示すタイミングチャートである。
【図７】本発明の第２実施形態による撮像装置の画素回路の構成例を示す図である。
【図８】本発明の第２実施形態による撮像装置の動作を示す模式図である。
【図９】本発明の第２実施形態による撮像装置の動作を示すタイミングチャートである。
【図１０】本発明の第３実施形態による撮像装置の動作を示す模式図である。
【図１１】本発明の第３実施形態による撮像装置の動作を示すタイミングチャートである。
【図１２】本発明の第４実施形態による撮像装置の画素回路の構成例を示す図である。
【図１３】本発明の第４実施形態による撮像装置の画素の断面構造を示す図である。
【図１４】本発明の第４実施形態による撮像装置の動作を示すタイミングチャートである。
【図１５】本発明の第５実施形態による撮像装置の画素の断面構造を示す図である。
【図１６】本発明の第６実施形態による撮像システムの構成を示すブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、本発明の実施形態について、図面を用いて説明する。もちろん、本発明に係る実
施形態は、以下に説明される実施形態のみに限定されるものではない。例えば、以下のいずれかの実施形態の一部の構成を他の実施形態に追加した例や、他の実施形態の一部の構成と置換した例も、本発明の実施形態である。
【００１１】
［第１実施形態］
本発明の第１実施形態による撮像装置について、図１乃至図６を用いて説明する。図１は、本実施形態による撮像装置の概略構成を示すブロック図である。図２は、本実施形態による撮像装置の画素回路の構成例を示す回路図である。図３は、本実施形態による撮像装置の画素アレイ部における画素の配置例を示す図である。図４は、本実施形態による撮像装置の動作を示す模式図である。図５及び図６は、本実施形態による撮像装置の動作を示すタイミングチャートである。
【００１２】
はじめに、本実施形態による撮像装置の構成について、ＣＭＯＳイメージセンサを例に挙げ、図１及び図２を用いて説明する。
【００１３】
本実施形態による撮像装置１００は、図１に示すように、画素アレイ部１０と、垂直駆動回路２０と、水平駆動回路３０と、制御回路４０と、出力回路５０とを有している。
【００１４】
画素アレイ部１０には、複数行及び複数列に渡って配された複数の画素１２が設けられている。それぞれの画素１２は、入射光をその光量に応じた電荷に変換する光電変換素子を含む。図１には、５行×２列に配列された１０個の画素１２からなる画素アレイを示しているが、実際には更に多くの画素１２を有している。
【００１５】
画素アレイ部１０に配列された複数の画素１２には、読み出し対象画素群１２ａと、非読み出し対象画素群１２ｂとを含むことができる。読み出し対象画素群１２ａは、後段の信号処理系において用いられる信号を出力する画素１２からなる画素群である。信号処理系において用いられる信号には、例えば、画像に用いられる信号（以下、「画像用信号」と表記する）や、焦点検出に用いられる信号（以下、「焦点検出用信号」と表記する）などが含まれる。また、非読み出し対象画素群１２ｂは、出力を画像や焦点検出などに用いない画素１２からなる画素群である。なお、非読み出し対象画素群１２ｂは、必ずしも設ける必要はない。
【００１６】
垂直駆動回路２０は、それぞれの画素１２から信号を読み出す際に画素１２内の読み出し回路を駆動するためのものである。水平駆動回路３０は、画素１２から読み出された信号に対して必要に応じて所望の信号処理を行った後、列毎に順次、出力回路５０に転送するためのものである。水平駆動回路３０が行う信号処理には、増幅処理やＡＤ変換処理等を含むことができる。制御回路４０は、垂直駆動回路２０及び水平駆動回路３０を制御するためのものである。出力回路５０は、画素１２から読み出した信号を外部に出力するための回路である。
【００１７】
図２は、画素アレイ部１０を構成する画素回路の一例を示す回路図である。図２には、画素アレイ部１０を構成する画素１２として、図１の読み出し対象画素群１２ａに対応する４行×２列に配列された８個の画素１２を示しているが、実際には更に多くの画素１２を有している。なお、以下の説明では、画素アレイの行を上から順に、第ｍ行、第ｍ＋１行、第ｍ＋２行、第ｍ＋３行、といった行番号で表記することがある。
【００１８】
各画素１２は、光電変換部Ｄ１と、転送トランジスタＭ１と、転送トランジスタＭ２と、リセットトランジスタＭ３と、増幅トランジスタＭ４と、選択トランジスタＭ５とを含む。光電変換部Ｄ１を構成するフォトダイオードのアノードは接地電圧線に接続され、カソードは転送トランジスタＭ１のソースに接続されている。転送トランジスタＭ１のドレインは、転送トランジスタＭ２のソースに接続されている。転送トランジスタＭ１のドレインと転送トランジスタＭ２のソースとの接続ノードは、電荷の保持部Ｃ１を構成する。図には、保持部Ｃ１を容量素子で表している。転送トランジスタＭ２のドレインは、リセットトランジスタＭ３のソース及び増幅トランジスタＭ４のゲートに接続されている。転送トランジスタＭ２のドレイン、リセットトランジスタＭ３のソース及び増幅トランジスタＭ４のゲートの接続ノードは、電荷の保持部Ｃ２を構成する。図には、保持部Ｃ２を容量素子で表している。なお、保持部Ｃ２は、いわゆるフローティングディフュージョン（ＦＤ）である。リセットトランジスタＭ３のドレイン及び増幅トランジスタＭ４のドレインは、電源電圧線（ＶＤＤ）に接続されている。増幅トランジスタＭ４のソースは、選択トランジスタＭ５のドレインに接続されている。
【００１９】
画素アレイ部１０の画素アレイの各行には、行方向（図２において横方向）に延在して、制御線Ｔｘ１、制御線Ｔｘ２、制御線ＲＥＳ、制御線ＳＥＬが、それぞれ配されている。制御線Ｔｘ１は、行方向に並ぶ画素１２の転送トランジスタＭ１のゲートにそれぞれ接続され、これら画素１２に共通の信号線をなしている。制御線Ｔｘ２は、行方向に並ぶ画素１２の転送トランジスタＭ２のゲートにそれぞれ接続され、これら画素１２に共通の信号線をなしている。制御線ＲＥＳは、行方向に並ぶ画素１２のリセットトランジスタＭ３のゲートにそれぞれ接続され、これら画素１２に共通の信号線をなしている。制御線ＳＥＬは、行方向に並ぶ画素１２の選択トランジスタＭ５のゲートにそれぞれ接続され、これら画素１２に共通の信号線をなしている。なお、図１には、各制御線の名称に、対応する行番号をそれぞれ付記している（例えば、Ｔｘ１（ｍ），Ｔｘ１（ｍ＋１），Ｔｘ１（ｍ＋２），Ｔｘ１（ｍ＋３））。
【００２０】
制御線Ｔｘ１、制御線Ｔｘ２、制御線ＲＥＳ、制御線ＳＥＬは、垂直駆動回路２０に接続されている。制御線Ｔｘ１には、垂直駆動回路２０から、転送トランジスタＭ１を制御するための駆動パルスである制御信号ＰＴｘ１が出力される。制御線Ｔｘ２には、垂直駆動回路２０から、転送トランジスタＭ２を制御するための駆動パルスである制御信号ＰＴｘ２が出力される。制御線ＲＥＳには、垂直駆動回路２０から、リセットトランジスタＭ３を制御するための駆動パルスである制御信号ＰＲＥＳが出力される。制御線ＳＥＬには、垂直駆動回路２０から、選択トランジスタＭ５を制御するための駆動パルスである制御信号ＰＳＥＬが出力される。典型例では、垂直駆動回路２０からハイレベルの制御信号が出力されると対応するトランジスタがオンとなり、垂直駆動回路２０からローレベルの制御信号が出力されると対応するトランジスタがオフとなる。これら制御信号は、制御回路４０からの所定のタイミング信号に応じて、垂直駆動回路２０から供給される。垂直駆動回路２０には、シフトレジスタやアドレスデコーダなどの論理回路が用いられる。
【００２１】
画素アレイ部１０の画素アレイの各列には、列方向（図２において縦方向）に延在して、出力線１４が配されている。出力線１４は、列方向に並ぶ画素１２の選択トランジスタＭ５のソースにそれぞれ接続され、これら画素１２に共通の信号線をなしている。なお、画素１２の選択トランジスタＭ５は、省略してもよい。この場合、出力線１４は、増幅トランジスタＭ４のソースに接続される。出力線１４には、電流源１６が接続されている。
【００２２】
光電変換部Ｄ１は、入射光をその光量に応じた電荷に変換（光電変換）するとともに、光電変換により生じた電荷を蓄積する。転送トランジスタＭ１は、光電変換部Ｄ１が保持する電荷を保持部Ｃ１に転送する。保持部Ｃ１は、光電変換部Ｄ１で生成された電荷を、光電変換部Ｄ１とは別の場所で保持する。転送トランジスタＭ２は、保持部Ｃ１が保持する電荷を保持部Ｃ２に転送する。保持部Ｃ２は、保持部Ｃ１から転送された電荷を保持するとともに、増幅部の入力ノード（増幅トランジスタＭ４のゲート）の電圧を、その容量と転送された電荷の量とに応じた電圧に設定する。リセットトランジスタＭ３は、保持部Ｃ２の電圧をリセットする。選択トランジスタＭ５は、出力線１４に信号を出力する画素１２を選択する。増幅トランジスタＭ４は、ドレインに電源電圧が供給され、ソースに選択トランジスタＭ５を介して電流源１６からバイアス電流が供給される構成となっており、ゲートを入力ノードとする増幅部（ソースフォロワ回路）を構成する。これにより増幅トランジスタＭ４は、入射光によって生じた電荷に基づく信号Ｖｏｕｔを出力線１４に出力する。
【００２３】
このような構成により、保持部Ｃ１が電荷を保持している間に光電変換部Ｄ１で生じた電荷は、光電変換部Ｄ１に蓄積することができる。これにより、複数の画素の間で光電変換の期間が一致するような撮像動作、いわゆるグローバル電子シャッタ動作を行うことが可能となる。なお、電子シャッタとは、入射光によって生じた電荷の蓄積を電気的に制御することである。
【００２４】
次に、本実施形態による撮像装置の駆動方法について、図３乃至図６を用いて説明する。ここでは動画を撮影する場合の撮像動作について説明するが、静止画の撮影を行う場合についても同様に行うことができる。
【００２５】
なお、本明細書では、グループ、時刻、期間、露光期間等の名称に、第１、第２、第３等の数詞を付することがあるが、これら数詞は単に説明の便宜上のものである。同じ数詞を用いた同じ名称の構成要素であっても、例えば明細書に記載されたものと特許請求の範囲に記載されたものとは、必ずしも同一のものを意図するものではない。
【００２６】
本実施形態による撮像装置１００の駆動方法では、読み出し対象画素群１２ａを、少なくとも第１のグループと第２のグループとを含む複数のグループに分け、同じフレーム期間内にグループ毎に異なる撮像動作を行う。以下の説明では、読み出し対象画素群１２ａが第１のグループと第２のグループとを含む場合を例にして説明するが、読み出し対象画素群１２ａは３つ以上のグループを含んでいてもよい。なお、本実施形態の撮像装置１００において、読み出し対象画素群１２ａのグループ分けは、撮像動作の違いを規定するための便宜的なものであり、各グループに属する画素１２に構造的或いは機能的な相違があるわけではない。
【００２７】
本実施形態において、第１のグループに属する画素１２と、第２のグループに属する画素１２とは、互いに異なる露光期間の間に蓄積された電荷に基づく信号を出力する画素１２として用いる。例えば、第１のグループの画素１２は、相対的に短い露光時間の間に蓄積された電荷に基づく信号（以下、「短い蓄積時間の信号」と表記する）を出力する画素である。また、第２のグループの画素１２は、相対的に長い露光時間の間に蓄積された電荷に基づく信号（以下、「長い蓄積時間の信号」と表記する）を出力する画素である。この場合、第１のグループの画素１２から出力される短い蓄積時間の信号は低感度信号に、第２のグループの画素１２から出力される長い蓄積時間の信号は高感度信号に、それぞれ対応づけることができる。これら複数の蓄積時間の信号から得られる画像を合成することにより、ワイドダイナミックレンジ画像を得ることが可能となる。
【００２８】
第１のグループの画素１２及び第２のグループの画素１２の画素アレイ部１０内における配置は、特に限定されるものではなく、例えば図３に示すような種々の配置を適用可能である。図３において、斜線を付した領域は第１のグループの画素１２を示し、白抜きの領域は第２のグループの画素１２を示している。
【００２９】
図３（ａ）に示す配置は、第１のグループの画素１２と第２のグループの画素１２とを千鳥格子状に配置した例である。図３（ｂ）に示す配置は、第１のグループの画素１２と第２のグループの画素１２とを１行毎に交互に配置した例である。図３（ｃ）に示す配置は、第１のグループの画素１２と第２のグループの画素１２とを１列毎に交互に配置した例である。このように、蓄積時間の異なる信号を出力する画素１２は、同じ行や同じ列に配置されていてもよく、一行毎或いは一列毎に配置されていてもよい。図３（ｄ）に示す配置は、４つの画素を１つの単位ブロックとして、第１のグループの画素１２からなる単位ブロックと第２のグループの画素１２からなる単位ブロックとを千鳥格子状に配置した例である。図３（ｅ）に示す配置は、第２のグループの画素１２の数を第１のグループの画素の数の３倍にした配置例である。図３（ｆ）に示す配置は、第２のグループの画素１２の数を第１のグループの画素の数の７倍にした配置例である。例えば図３（ｅ）及び図３（ｆ）に示すように、第１のグループの画素１２と第２のグループの画素１２は、必ずしも同数である必要はない。
【００３０】
図４は、時間の経過に伴う撮像装置１００の動作状態の遷移を示した模式図であり、図面において左から右に向かう方向が時間軸に対応している。図４には、第１のグループの画素１２及び第２のグループの画素１２のそれぞれについて、第ｎフレーム及び第ｎ＋１フレームにおける撮像動作を示している。
【００３１】
ここで、以下の説明の便宜上、１フレーム期間の間に、時間軸方向に沿って順番に、時刻Ｔ１，Ｔ２，Ｔ３，Ｔ４を定義するものとする。時刻Ｔ１はフレームの開始時刻であり、時刻Ｔ４はフレームの終了時刻である。また、時刻Ｔ１と時刻Ｔ２との間の期間を第１の期間、時刻Ｔ２と時刻Ｔ３との間の期間を第２の期間、時刻Ｔ３と時刻Ｔ４との間の期間を第３の期間と定義するものとする。
【００３２】
第１のグループの撮像動作には、図４に示すように、１フレーム期間の間に、第１の露光期間と、第２の露光期間とが含まれる。第１の露光期間は、第１の期間に対応し、相対的に短い露光期間である。第２の露光期間は、第２の期間と第３の期間の合計の期間に対応し、第１の露光期間と比較して相対的に長い露光期間である。第２の露光期間は、第１の露光期間の後に開始される。
【００３３】
また、第１のグループの撮像動作には、１フレーム期間の間に、蓄積期間ＰＤ（ｎ，１），ＰＤ（ｎ，２）が含まれる。蓄積期間ＰＤ（ｎ，１）は、第１の露光期間において、光電変換部Ｄ１が電荷を生成或いは蓄積している期間である。蓄積期間ＰＤ（ｎ，２）は、第２の露光期間において、光電変換部Ｄ１が電荷を生成或いは蓄積している期間である。
【００３４】
また、第１のグループの撮像動作には、１フレーム期間の間に、保持期間ＭＥＭ（ｎ−１，２）の一部、保持期間ＭＥＭ（ｎ，１）及び保持期間ＭＥＭ（ｎ，２）の一部が含まれる。保持期間ＭＥＭ（ｎ−１，２）は、前フレーム（図示しない第ｎ−１フレーム）の第２の露光期間に光電変換部Ｄ１で生成された電荷を保持部Ｃ１が保持している期間である。保持期間ＭＥＭ（ｎ，１）は、第２の期間に対応し、当該フレーム（第ｎフレーム）の第１の露光期間に光電変換部Ｄ１で生成された電荷を保持部Ｃ１が保持している期間である。保持期間ＭＥＭ（ｎ，２）は、当該フレームの第２の露光期間に光電変換部Ｄ１で生成された電荷を保持部Ｃ１が保持している期間である。保持期間ＭＥＭ（ｎ，２）は、当該フレームの第３の期間から次フレーム（第ｎ＋１フレーム）の第１の期間までの期間に対応する。
【００３５】
また、第１のグループの撮像動作には、第１の読み出し期間と、第２の読み出し期間とが含まれる。第１の露光期間に蓄積された電荷に基づく信号の読み出し動作を実施する期間が第１の読み出し期間であり、第２の露光期間に蓄積された電荷に基づく信号の読み出し動作を実施する期間が第２の読み出し期間である。第１の読み出し期間は当該フレームの第２の期間内に行われ、第２の読み出し期間は次フレームの第１の期間内に行われる。図には、１行の画素１２から一連の読み出し動作を実施する期間を１つの四角印で示している。異なる行の画素１２からの読み出し期間を異なる高さの位置に示すことで、行順次で読み出し動作が実施されることを模式的に示している。
【００３６】
第１のグループにおいて、保持期間ＭＥＭ（ｎ，１）に保持部Ｃ１が保持している電荷は、第２の期間内において行順次で保持部Ｃ２へ転送され、読み出し動作が順次実施される（第１の読み出し）。保持期間ＭＥＭ（ｎ，２）に保持部Ｃ１が保持している電荷は、次フレームの第１の期間内において行順次で保持部Ｃ２へ転送され、読み出し動作が順次実施される（第２の読み出し）。なお、第２の読み出しは、必ずしも実施する必要はない。また、必ずしも第１のグループに属する総ての画素１２について読み出しを実施する必要はなく、第１のグループの一部の画素１２についてのみ読み出しを実施してもよい。
【００３７】
このように、第１のグループの画素１２の１フレーム期間内の動作には、相対的に短い露光期間（以下、「短秒蓄積信号の蓄積期間」とも表記する）と、相対的に長い露光期間（以下、「長秒蓄積信号の蓄積期間」とも表記する）とが含まれる。短秒蓄積信号の蓄積期間は、第１の期間に相当する。また、長秒蓄積信号の蓄積期間は、第２の期間と第３の期間との合計の期間に相当する。或いは、第１の期間の信号の読み出しを終えた後、増幅部の入力ノードをリセットする動作を行わないことにより、長秒蓄積信号の蓄積期間は、第１の期間と第２の期間と第３の期間との合計の期間とすることもできる。すなわち、第１の期間で生じた電荷と、第２の期間及び第３の期間で生じた電荷とを、増幅部の入力ノードの上で加算することになる。長秒蓄積信号の蓄積期間は、用途や撮影状況等に応じて適宜選択することができる。
【００３８】
保持部Ｃ１に保持された前フレームの長秒蓄積信号の電荷は、第１の期間に読み出される。そのため、第１の期間が終われば、保持部Ｃ１は新たな電荷を保持することができる。また、保持部Ｃ１に保持された短秒蓄積信号の電荷は、第２の期間に読み出される。そのため、第２の期間が終われば、保持部Ｃ１は新たな電荷を保持することができる。したがって、光電変換部Ｄ１は、少なくとも、第１の期間の間に生じる電荷及び第２の期間の間に生じる電荷のうち多い方の電荷を蓄積できればよい。通常は、第１の期間及び第２の期間に生じる電荷の量は、１フレームの露光期間、すなわち第１の期間と第２の期間と第３の期間との合計の期間に生じる電荷の量より少ないため、光電変換部Ｄ１の飽和電荷量を小さくすることができる。
【００３９】
本実施形態の駆動方法では、保持部Ｃ１が電荷を保持している第３の期間を、第１の期間及び第２の期間よりも長くしている。そのため、光電変換部Ｄ１の飽和電荷量をより小さくすることができる。ただし、第１の期間と第２の期間と第３の期間とは等しくてもよいし、第３の期間よりも第１の期間及び第２の期間が長くてもよい。その他にも任意の蓄積時間の組み合わせを採用することができる。
【００４０】
一方、第２のグループの撮像動作には、図４に示すように、１フレーム期間の間に、第３の露光期間が含まれる。第３の露光期間は、１フレーム期間とほぼ等しく、第１の露光期間及び第２の露光期間と重畳している。第３の露光期間は、第１の露光期間及び第２の露光期間と比較して相対的に長い露光期間（長秒蓄積信号の蓄積期間）であるともいえる。
【００４１】
また、第２のグループの撮像動作には、１フレーム期間の間に、蓄積期間ＰＤ（ｎ，３）が含まれる。蓄積期間ＰＤ（ｎ，３）は、第３の露光期間において、光電変換部Ｄ１が電荷を生成或いは蓄積している期間である。
【００４２】
また、第２のグループの撮像動作には、１フレーム期間の間に、保持期間ＭＥＭ（ｎ−１，３）の一部及び保持期間ＭＥＭ（ｎ，３）の一部が含まれる。保持期間ＭＥＭ（ｎ−１，３）は、前フレームの第３の露光期間において光電変換部Ｄ１にて生成された電荷を保持部Ｃ１が保持している期間である。保持期間ＭＥＭ（ｎ，３）は、当該フレームの第３の露光期間において光電変換部Ｄ１にて生成された電荷を保持部Ｃ１が保持している期間である。保持期間ＭＥＭ（ｎ，３）は、当該フレームの第２の期間から次フレームの第１の期間までの期間に対応する。
【００４３】
また、第２のグループの撮像動作には、１回の読み出し動作が含まれる。第２のグループにおいて、保持期間ＭＥＭ（ｎ，３）に保持部Ｃ１で保持されている電荷は、次フレームの第１の期間内において行順次で保持部Ｃ２へ転送され、読み出し動作が順次実施される。なお、必ずしも第２のグループに属する総ての画素１２について読み出しを実施する必要はなく、第２のグループの一部の画素１２についてのみ読み出しを実施してもよい。
【００４４】
このように、第２のグループの画素１２の露光期間は、第１の期間と第２の期間と第３の期間との合計の期間である。第１のグループと同様に、保持部Ｃ１に保持された前フレームの電荷は、第１の期間に読み出される。そのため、第１の期間が終われば、保持部Ｃ１は新たな電荷を保持することができる。したがって、光電変換部Ｄ１は、少なくとも第１の期間に生じる電荷を蓄積できればよい。通常は、第１の期間に生じる電荷の量は、１フレームの露光期間、すなわち第１の期間と第２の期間と第３の期間との合計の期間に生じる電荷の量より少ないため、光電変換部Ｄ１の飽和電荷量を小さくすることができる。
【００４５】
本実施形態の駆動方法では、保持部Ｃ１が電荷を保持している第２の期間と第３の期間との合計の期間が、第１の期間よりも長い。そのため、光電変換部Ｄ１の飽和電荷量をより小さくできる。ただし、第１の期間と第２の期間と第３の期間とは等しくてもよいし、第２の期間と第３の期間との合計の期間よりも第１の期間が長くてもよい。その他にも任意の蓄積時間の組み合わせを採用することができる。
【００４６】
なお、図４では、１行目の画素１２から順に読み出し動作を行う例を示している。しかし、読み出し動作を行う順序はこの例に限られない。第１の期間及び第２の期間に、１フレームの画像を構成する画素１２のそれぞれに対して、少なくとも１回ずつ読み出しが行われればよい。
【００４７】
このように、第１のグループの画素１２については、第１の期間及び第２の期間においてそれぞれ読み出し動作が行われる。また、第２のグループの画素１２については、第１の期間において読み出し動作が行われる。これにより、１フレームの読み出し動作において、短秒蓄積信号の読み出しと、長秒蓄積信号の読み出しとが可能となる。
【００４８】
また、図４の読み出し動作では、１フレームの露光が終了してからすぐに、次のフレームの露光を開始することができる。したがって、情報が欠落する期間をほとんどなくすことができるため、画質を向上することができる。
【００４９】
また、光電変換部Ｄ１が電荷を蓄積している第１の期間及び第２の期間に、複数の画素１２のそれぞれに対して読み出し動作が行われる。このため、光電変換部Ｄ１の飽和電荷量が小さくても、画素１２の飽和電荷量を増加することができる。画素１２の飽和電荷量は、１回の露光で生じる電荷のうち、信号として扱うことができる電荷量の最大値である。なお、光電変換部Ｄ１の飽和電荷量及び保持部Ｃ１の飽和電荷量は、それぞれ、光電変換部Ｄ１が蓄積できる電荷量の最大値及び保持部Ｃ１が保持できる電荷量の最大値である。
【００５０】
図５は、本実施形態による撮像装置の駆動方法に用いられる駆動パルスの一例を模式的に示したものである。図５には、第１のグループの画素１２及び第２のグループの画素１２のそれぞれについて、転送トランジスタＭ１の制御線Ｔｘ１に供給される制御信号ＰＴｘ１と、転送トランジスタＭ２の制御線Ｔｘ２に供給される制御信号ＰＴｘ２とを示している。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り、制御信号がローレベルのときに対応するトランジスタがオフになる。
【００５１】
図５では、第１のグループの画素１２と第２のグループの画素１２とが、図３（ｂ）に示す配置で配列された場合、すなわち、第１のグループの画素１２と第２のグループの画素１２とが１行毎に交互に配置された場合を想定している。例えば、第ｍ行目の画素１２が第１のグループである場合、第ｍ＋２行，第ｍ＋４行，…，が第１のグループの画素となり、第ｍ＋１行，第ｍ＋３行，…，が第２のグループの画素となる。行順次の読み出し動作では、例えば図４に示すように、第１のグループの画素１２と第２のグループの画素１２とが交互に読み出されることになる。
【００５２】
まず、第１のグループの画素１２の駆動について説明する。
時刻Ｔ１までの期間には、前フレームの露光（第２の露光期間）が行われている。露光とは、光電変換によって生じた電荷が信号として蓄積又は保持されることを意味する。時刻Ｔ１より前に生じた前フレームの電荷は、光電変換部Ｄ１及び保持部Ｃ１に保持されている。制御信号ＰＴｘ１をハイレベルとして転送トランジスタＭ１をオンにすることで、前フレームの露光期間に生じた電荷は、総て保持部Ｃ１に転送される。時刻Ｔ１において制御信号ＰＴｘ１をローレベルとして総ての画素１２で同時に転送トランジスタＭ１をオフにすることで、前フレームの露光期間は終了する。
【００５３】
光電変換部Ｄ１及び保持部Ｃ１に蓄積されていた前フレームの電荷が総て保持部Ｃ１に転送されると、光電変換部Ｄ１は初期状態になる。すなわち、時刻Ｔ１において、総ての画素１２の光電変換部Ｄ１が同時に電荷の蓄積を新たに開始する。このように、本実施形態の駆動方法では、転送トランジスタＭ１をオフにすることで、光電変換部Ｄ１による電荷の蓄積が開始される。時刻Ｔ１は、第１のグループの画素１２において、第１の露光期間の開始時刻となる。
【００５４】
時刻Ｔ１までの間に保持部Ｃ１へと転送された電荷に基づく前フレームの信号は、時刻Ｔ１以降、順次読み出される（前フレームの第１のグループの第２の読み出し）。すなわち、制御信号ＰＴｘ２をハイレベルとして転送トランジスタＭ２をオンにすることで、保持部Ｃ１に保持されている電荷を保持部Ｃ２に転送する。これにより、保持部Ｃ２の容量と転送された電荷の量に応じて増幅部の入力ノード（増幅トランジスタＭ４のゲート）の電圧が変化し、出力線１４には入力ノードの電圧に基づく信号が出力される。同様の動作を、第１のグループの読み出し対象の画素１２について、行毎に行う。第１のグループの読み出し対象の画素１２の読み出しが総て行われた後には、これら画素１２の転送トランジスタＭ１，Ｍ２がオフになっている。
【００５５】
第１の期間に出力する信号の数は、出力する画像のフォーマット等に応じて適宜変更されうる。例えば、動画の撮影であれば、１フレームに用いられる水平ラインに対応する数の行の画素１２から信号が出力されればよい。このような実施形態では、必ずしも撮像装置１００が備える総ての画素１２から信号が出力されなくてもよい。
【００５６】
転送トランジスタＭ１は、時刻Ｔ１から、少なくとも前フレームの第１のグループの第２の読み出しが終了するまで、オフ状態に維持される。本実施形態では、総ての画素１２の転送トランジスタＭ１をオフ状態に維持する例を示すが、少なくとも１つの画素１２の転送トランジスタＭ１をオフ状態に維持すればよい。これにより、転送トランジスタＭ１をオフ状態で維持した画素１２においては、この期間に生じた電荷が光電変換部Ｄ１に蓄積される。この期間に生じた電荷は光電変換部Ｄ１に蓄積されるので、転送トランジスタＭ１がオフ状態の間、保持部Ｃ１は、時刻Ｔ１よりも前に生じた電荷を保持することができる。
【００５７】
次いで、前フレームの第１のグループの第２の読み出しが終了後、制御信号ＰＴｘ１をハイレベルとして転送トランジスタＭ１をオンにすることで、時刻Ｔ１以降に光電変換部Ｄ１で生じた電荷を保持部Ｃ１に転送する。転送トランジスタＭ１をオンにしている間に生じる電荷は、光電変換部Ｄ１から保持部Ｃ１へと即座に転送される。なお、本実施形態では、第１のグループの読み出し対象の総ての画素１２の転送トランジスタＭ１を同時にオフからオンに遷移する例を示している。しかしながら、転送トランジスタＭ１は時刻Ｔ２までにオンしていればよく、遷移のタイミングは行毎に互いに異なっていてもよい。例えば、前フレームの第２の読み出し動作が終了した画素１２から順に、転送トランジスタＭ１をオンにしてもよい。
【００５８】
時刻Ｔ２において、制御信号ＰＴｘ１をローレベルとして第１のグループの画素１２の転送トランジスタＭ１を同時にオフし、第１の露光期間を終了する。時刻Ｔ２は、第１のグループの画素１２において第１の露光期間の終了時刻となる。光電変換部Ｄ１に保持されていた電荷が総て保持部Ｃ１に転送されると、光電変換部Ｄ１は初期状態になる。すなわち、時刻Ｔ２において、第１のグループの画素１２の光電変換部Ｄ１が同時に電荷の蓄積を新たに開始する。時刻Ｔ２は、第１のグループの画素１２において第２の露光期間の開始時刻となる。時刻Ｔ１から時刻Ｔ２までの期間が、第１の期間である。第１の露光期間に生じた電荷は、時刻Ｔ２以降、保持部Ｃ１で保持される。時刻Ｔ２以降に生じた電荷は光電変換部Ｄ１に蓄積されるので、転送トランジスタＭ１がオフ状態の間、保持部Ｃ１は、第１の露光期間に生じた電荷を保持することができる。
【００５９】
時刻Ｔ２までの間に保持部Ｃ１へと転送された電荷に基づく信号は、時刻Ｔ２以降、順次読み出される（第１グループの第１の読み出し）。すなわち、前フレームの第１のグループの第２の読み出しと同様に、制御信号ＰＴｘ２をハイレベルとして転送トランジスタＭ２をオンにすることで、保持部Ｃ１に保持されている電荷を保持部Ｃ２に転送する。これにより、保持部Ｃ２の容量と転送された電荷の量に応じて増幅部の入力ノード（増幅トランジスタＭ４のゲート）の電圧が変化し、出力線１４には入力ノードの電圧に基づく信号が出力される。同様の動作を、第１のグループの読み出し対象の画素１２について、行毎に行う。このようにすることで、第１の露光期間に蓄積された電荷に基づく信号が、短秒蓄積信号として出力される。第１のグループの読み出し対象の画素１２の読み出しが総て行われた後には、これら画素１２の転送トランジスタＭ１，Ｍ２がオフになっている。
【００６０】
転送トランジスタＭ１は、時刻Ｔ２から、少なくとも第１のグループの第１の読み出しが終了するまで、オフ状態に維持される。時刻Ｔ２以降、転送トランジスタＭ１が最初にオンとなるまでの期間において光電変換部Ｄ１で生じた電荷は、光電変換部Ｄ１に蓄積される。
【００６１】
第１のグループの第１の読み出しが終了した後、制御信号ＰＴｘ１をハイレベルとして転送トランジスタＭ１をオンにすることで、時刻Ｔ２以降に光電変換部Ｄ１で生じた電荷を保持部Ｃ１に転送する。本実施形態の例では、図５に示すように、第１のグループの第１の読み出しの終了後、間欠的に３回、転送トランジスタＭ１をオンにしている。ここで、１回目の間欠駆動における制御信号ＰＴｘ１の立ち下がりのタイミングが時刻Ｔ３であり、３回目の間欠駆動における制御信号ＰＴｘ１の立ち下がりのタイミングが時刻Ｔ４である。また、時刻Ｔ２から時刻Ｔ３までの期間が第２の期間であり、時刻Ｔ３から時刻Ｔ４までの期間が第３の期間である。この場合、１回目の間欠駆動において、第２の期間の間に光電変換部Ｄ１に蓄積された電荷が、保持部Ｃ１に転送される。以後の間欠駆動においても光電変換部Ｄ１から保持部Ｃ１への電荷の転送が同様に行われ、３回目の間欠駆動の後の時刻Ｔ４には、第２の期間及び第３の期間において光電変換部Ｄ１で生じた電荷の総てが保持部Ｃ１へ転送されることになる。
【００６２】
転送トランジスタＭ１を間欠的に駆動しているのは、第３の露光期間の間に生成される電荷が光電変換部Ｄ１の飽和電荷量を超える前に保持部Ｃ１へと転送するためである。間欠動作を行う間隔は、光電変換部Ｄ１の飽和電荷量等に応じて適宜選択することができるが、一実施例では、第１の期間或いは第２の期間と同じに設定することができる。間欠動作を行う間隔は、均等であることが望ましい。
【００６３】
なお、時刻Ｔ２から時刻Ｔ４の間において、光電変換部Ｄ１から保持部Ｃ１に電荷を転送する期間は、第１のグループの第１の読み出しが終了した後であれば、自由に設定することができる。例えば、転送トランジスタＭ１を間欠的にオンにする回数は、３回に限定されるものではなく、何度でもよい。また、転送トランジスタＭ１は、第３の期間の間、常にオン状態に維持していてもよい。その場合には、第３の期間に生じた電荷は、光電変換部Ｄ１から即座に保持部Ｃ１に転送される。ただし、ノイズを低減する観点からは、転送トランジスタＭ１をオンにする期間が短い動作、例えば上述の間欠動作が望ましい。
【００６４】
次いで、時刻Ｔ４において、制御信号ＰＴｘ１をハイレベルからローレベルへと遷移することにより、第１のグループの読み出し対象の総ての画素１２の転送トランジスタＭ１を同時にオンからオフに制御する。これにより、１フレームの露光期間が終了する。時刻Ｔ４は、第１のグループの画素１２において、第２の露光期間の終了時刻となる。
【００６５】
次いで、次フレームの第１の期間において、前述した前フレームの第１のグループの第２の読み出しと同様にして、第ｎフレームの第２の露光期間に生じた電荷に基づく信号の読み出しを行う（第１のグループの第２の読み出し）。なお、第１のグループの第２の読み出しは、前述の通り、必ずしも行う必要はない。
【００６６】
このように、第１のグループの読み出し対象の総ての画素１２の間で、露光期間が互いに一致している。つまり、第１のグループの読み出し対象の総ての画素１２において、時刻Ｔ１に露光が開始し、時刻Ｔ４に露光が終了する。また、時刻Ｔ４において、次フレームの露光が開始され、以降、時刻Ｔ１から時刻Ｔ４までの動作が繰り返される。
【００６７】
次に、第２のグループの画素１２の駆動について説明する。なお、ここでは第１のグループの駆動と異なる点についてのみ説明し、同じ部分については説明を省略する。
【００６８】
第２のグループの画素１２の駆動が第１のグループの画素１２の駆動と異なる点は、第２の期間において信号の読み出しを行わない点である。つまり、第２の期間において、転送トランジスタＭ２にハイレベルの制御信号ＰＴｘ２を供給しない。これにより、保持部Ｃ１は、第１の期間に光電変換部Ｄ１で生じた電荷を保持したまま、第２の期間を終える。第２の期間以降における光電変換部Ｄ１から保持部Ｃ１への電荷の転送は、第１のグループの画素１２と同じである。その後、時刻Ｔ４まで、転送トランジスタＭ２をオンにしない。これにより、第２のグループの画素１２の露光期間（第３の露光期間）は、第１の期間と第２の期間と第３の期間との合計の期間となる。時刻Ｔ１が第３の露光期間の開始時刻となり、時刻Ｔ４が第３の露光期間の終了時刻となる。第３の露光期間に生じた電荷に基づく信号の読み出しは、第１グループの第２の読み出しと同様、次フレームの第１の期間に行われる。
【００６９】
次に、１つの画素１２からの信号の読み出し動作について、図６を用いて説明する。図６は、撮像装置１００の駆動に用いられる制御信号のタイミングを模式的に示したものである。図６には、選択トランジスタＭ５に供給される制御信号ＰＳＥＬ、リセットトランジスタＭ３に供給される制御信号ＰＲＥＳ、及び、転送トランジスタＭ２に供給される制御信号ＰＴｘ２を示している。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となり、制御信号がローレベルのときに対応するトランジスタがオフとなる。
【００７０】
図６（ａ）は、第１のグループの画素１２の第２の読み出しにおいて、第２の露光期間の蓄積電荷に対応する信号を読み出す場合のタイミングチャートである。図６（ｂ）は、第１のグループの画素１２の第２の読み出しにおいて、第３の露光期間の蓄積電荷に対応する信号を読み出す場合のタイミングチャートである。各図において、破断線よりも左側が第１のグループの画素１２の第１の読み出しの動作を示し、破断線よりも右側が第１のグループの画素１２の第２の読み出しの動作を示している。なお、第２のグループの画素１２の読み出しの動作は、第１のグループの画素１２の第１の読み出しの動作と同様である。
【００７１】
第１のグループの画素１２の第１の読み出しでは、図６（ａ），（ｂ）に示される駆動パルスに従って、画素の選択、リセット、ノイズ信号の読み出し（Ｎ読み）、電荷の転送、光信号の読み出し（Ｓ読み）が、順次行われる。
【００７２】
図６（ａ）に示される第１のグループの画素１２の第２の読み出しでは、第１のグループの画素１２の第１の読み出し動作と同様に、画素の選択、リセット、ノイズ信号の読み出し（Ｎ読み）、電荷の転送、光信号の読み出し（Ｓ読み）が、順次行われる。図６（ａ）の動作では、電荷の転送（ＰＴｘ２）の前に保持部Ｃ２のリセット（ＰＲＥＳ）を行っているため、電荷の転送の際に保持部Ｃ１から保持部Ｃ２へ転送される電荷は、第２の露光期間において生じた電荷となる。なお、上述した図５の説明は、図６（ａ）の読み出し動作を前提としている。
【００７３】
図６（ｂ）に示される第１のグループの画素１２の第２の読み出しでは、画素の選択、電荷の転送、光信号の読み出し（Ｓ読み）が、順次行われる。すなわち、第２の読み出しの際には、電荷の転送の前に保持部Ｃ２のリセットは行わない。図６（ｂ）の動作では電荷の転送前にリセットを行わないため、電荷の転送前の保持部Ｃ２には、第１の露光期間において生じた電荷が残存している。したがって、この状態で第２の露光期間において生じた電荷を保持部Ｃ１から保持部Ｃ２へ転送すると、保持部Ｃ２には、第１の露光期間において生じた電荷と、第２の露光期間において生じた電荷とが転送されることになる。つまり、図６（ｂ）に示される第１のグループの画素１２の第２の読み出しは、第３の露光期間の蓄積電荷に対応する信号を読み出すことに相当する。
【００７４】
このようにして画素１２から出力された信号は、撮像装置１００の外部でＡＤ変換されてもよいし、撮像装置１００の内部でＡＤ変換されてもよい。
【００７５】
以上、説明したように、第２のグループの画素１２の露光期間（第３の露光期間）は、第１のグループの画素１２の露光期間（第１の露光期間）よりも長い。したがって、第１のグループの画素１２及び第２のグループの画素１２からそれぞれ信号を読み出すことにより、短い蓄積時間の信号と長い蓄積時間の信号とを、同じフレームにおいて取得することができる。したがって、これらの信号から得られる画像を用いることで、ダイナミックレンジを拡大した画像を得ることができる。短い蓄積時間の信号としては、第２の露光期間に蓄積された電荷に基づく信号を用いてもよい。
【００７６】
また、第１のグループの画素１２の第１の露光期間と第２のグループの画素１２の第３露光期間とは、どちらも時刻Ｔ１において開始されるとともに、重複する露光期間（第１の期間）を有する。このように露光期間の開始時刻を揃えることにより、第１のグループの画素１２から出力される信号に基づく画像と第２のグループの画素１２から出力される信号に基づく画像を合成する際の被写体の位置ずれを低減することができる。これにより、被写体の位置ずれが小さく、黒つぶれや白飛びのないワイドダイナミックレンジ画像を得ることができる。
【００７７】
第１のグループ及び第２のグループの画素１２の光電変換部Ｄ１は、少なくとも第１の期間或いは第２の期間に生じる電荷を蓄積できればよいため、光電変換部Ｄ１の飽和電荷量が小さくても、画素１２の飽和電荷量を維持することができる。したがって、このような構成により、画素１２の飽和電荷量を維持しつつ、グローバル電子シャッタを行いながら、ワイドダイナミックレンジ画像を得ることができる。なお、画素１２の保持部Ｃ１が電荷を保持している第３の期間は、第１の期間及び第２の期間よりも長いことが望ましい。このようにすることで、光電変換部Ｄ１の飽和電荷量をより小さくすることができる。
【００７８】
なお、本実施形態の第１のグループの画素において、第１の露光期間は第２の露光期間よりも短い時間の露光期間である。しかしながら、第２のグループの画素の露光期間（第３の露光期間）よりも短い時間である限り、第１の露光期間は第２の露光期間よりも長い時間であってもよい。
【００７９】
また、本実施形態の撮像装置１００は、ローリングシャッタ動作を行う動作モードを有していてもよい。ローリングシャッタ動作を行う動作モードでは、複数の画素１２の光電変換部Ｄ１による電荷の蓄積を、順次、開始する。その後、複数の画素の転送トランジスタＭ１を、順次、オンに制御する。また、本実施形態の撮像装置１００は、別の方式のグローバル電子シャッタを行う動作モードを有していてもよい。別の方式のグローバル電子シャッタとは、光電変換部Ｄ１が電荷を蓄積している期間が露光期間と等しくなるような動作である。
【００８０】
このように、本実施形態によれば、画素の飽和電荷量を向上しつつ、グローバル電子シャッタ動作を行うことができる。また、ダイナミックレンジを拡大した画像を得ることができる。
【００８１】
［第２実施形態］
本発明の第２実施形態による撮像装置について、図７乃至図９を用いて説明する。図１乃至図６に示す第１実施形態による撮像装置と同様の構成要素については同一の符号を付し、説明を省略し或いは簡潔にする。図７は、本実施形態による撮像装置の画素回路の構成例を示す回路図である。図８は、本実施形態による撮像装置の動作を示す模式図である。図９は、本実施形態による撮像装置の動作を示すタイミングチャートである。
【００８２】
はじめに、本実施形態による撮像装置１００の構成について、図７を用いて説明する。
【００８３】
本実施形態による撮像装置１００は、画素１２の回路構成が異なるほかは、第１実施形態による撮像装置１００と同様である。本実施形態による撮像装置１００の画素１２は、図７に示すように、光電変換部Ｄ１、転送トランジスタＭ１，Ｍ２、リセットトランジスタＭ３、増幅トランジスタＭ４、選択トランジスタＭ５に加え、オーバーフロートランジスタＭ６を更に有している。
【００８４】
オーバーフロートランジスタＭ６のソースは、光電変換部Ｄ１を構成するフォトダイオードのカソードと転送トランジスタＭ１のソースとの接続ノードに接続されている。オーバーフロートランジスタＭ６のドレインは、電源電圧線（ＶＤＤ）に接続されている。画素アレイ部１０の画素アレイの各行には、制御線ＯＦＧが更に配されている。制御線ＯＦＧは、行方向に並ぶ画素１２のオーバーフロートランジスタＭ６のゲートにそれぞれ接続され、これら画素１２に共通の信号線をなしている。制御線ＯＦＧは、垂直駆動回路２０に接続されている。制御線ＯＦＧには、垂直駆動回路２０から、オーバーフロートランジスタＭ６を制御するための制御信号ＰＯＦＧが出力される。典型例では、垂直駆動回路２０からハイレベルの制御信号ＰＯＦＧが出力されるとオーバーフロートランジスタＭ６がオンとなり、垂直駆動回路２０からローレベルの制御信号が出力されるとオーバーフロートランジスタＭ６がオフとなる。
【００８５】
次に、本実施形態による撮像装置の駆動方法について、図８及び図９を用いて説明する。本実施形態による撮像装置の駆動方法は、第１のグループの画素１２の露光期間の開始時刻をオーバーフロートランジスタＭ６によって制御している点において、第１実施形態による撮像装置の駆動方法とは異なっている。第２のグループの画素１２の撮像動作は、基本的には第１実施形態と同様である。ここでは、第１実施形態の駆動方法と異なる点を中心に説明し、同じ部分については説明を省略し或いは簡潔にする。
【００８６】
図８は、時間の経過に伴う撮像装置１００の動作状態の遷移を示した模式図であり、図面において左から右に向かう方向が時間軸に対応している。図８には、第１のグループ及び第２のグループのそれぞれについて、第ｎフレーム及び第ｎ＋１フレームにおける撮像動作を示している。
【００８７】
第１のグループの撮像動作には、図８に示すように、１フレーム期間の間に、第１の露光期間と、蓄積期間ＰＤ（ｎ，１）と、保持期間ＭＥＭ（ｎ，１）と、排出期間ＯＦＤと、１回の読み出し期間とが含まれる。第１の露光期間は、第２のグループの画素１２の露光期間である第３の露光期間よりも相対的に短い露光期間である。蓄積期間ＰＤ（ｎ，１）は、第１の露光期間において、光電変換部Ｄ１が電荷を生成或いは蓄積している期間である。保持期間ＭＥＭ（ｎ，１）は、第１の露光期間に光電変換部Ｄ１で生成された電荷を保持部Ｃ１が保持している期間である。排出期間ＯＦＤは、オーバーフロートランジスタＭ６がオンの期間である。排出期間ＯＦＤ中に光電変換部Ｄ１で生じた電荷は、オーバーフロートランジスタＭ６を介して排出されるため、光電変換部Ｄ１には蓄積されない。第１のグループの画素１２の読み出し動作は、第１の露光期間の後、第３の期間において行われる。
【００８８】
本実施形態による撮像装置１００の駆動方法では、第１のグループの画素１２の第１の露光期間が各フレームの中間の期間に配置されるように、第１の露光期間の長さに応じてその開始時刻と終了時刻とを規定している。このような場合、第１の露光期間の開始時刻は、制御信号ＰＯＦＧのタイミングにより制御することができる。また、第１の露光期間の終了時刻は、制御信号ＰＴｘ１のタイミングにより制御することができる。
【００８９】
より具体的には、第１の露光期間の開始時刻は、フレーム期間の開始後、最初に制御信号ＰＯＦＧがハイレベルからローレベルへと遷移するタイミングによって規定することができる。制御信号ＰＯＦＧがローレベルとなりオーバーフロートランジスタＭ６をオフにすることで、光電変換部Ｄ１で生じた電荷は、オーバーフロートランジスタＭ６を介して排出されなくなり、光電変換部Ｄ１に蓄積されるようになる。第１の露光期間の開始時刻は、第１の露光期間がフレーム期間の中間に配置されるように、第１の露光期間の長さに応じて適宜設定される。第１の露光期間は第３の露光期間よりも短いため、第１の露光期間の開始時刻は時刻Ｔ１よりも後である。
【００９０】
また、第１の露光期間の終了時刻は、制御信号ＰＴｘ１がハイレベルからローレベルへと遷移するタイミングであって、且つ、制御信号ＰＯＦＧがローレベルのときにフレーム期間中に最後に登場するタイミングによって規定することができる。露光期間は、光電変換部Ｄ１で生じた電荷を保持部Ｃ１に転送することによって終了する。オーバーフロートランジスタＭ６がオンになると光電変換部Ｄ１がリセットされるため、露光期間の終了時刻は、オーバーフロートランジスタＭ６がオンになるタイミングよりも前に、転送トランジスタＭ１がオフになる最後のタイミングとなる。第１の露光期間の終了時刻は、第１の露光期間がフレーム期間の中間に配置されるように、第１の露光期間の長さに応じて適宜設定される。第１の露光期間は第３の露光期間よりも短いため、第１の露光期間の終了時刻は時刻Ｔ４よりも前である。
【００９１】
図９は、本実施形態による撮像装置１００の駆動方法に用いられる駆動パルスの一例を模式的に示したものである。図９には、第１のグループの画素１２及び第２のグループの画素１２のそれぞれについて、制御信号ＰＯＦＧと、制御信号ＰＴｘ１と、制御信号ＰＴｘ２とを示している。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り、制御信号がローレベルのときに対応するトランジスタがオフになる。
【００９２】
まず、第１のグループの画素１２の駆動について説明する。
【００９３】
時刻Ｔ１において、フレーム期間は開始されるが、制御信号ＰＯＦＧはハイレベルでありオーバーフロートランジスタＭ６がオンになっているため、光電変換部Ｄ１で生じた電荷は蓄積されない。第１の露光期間は、制御信号ＰＯＦＧがハイレベルからローレベルへと遷移するタイミング、すなわちオーバーフロートランジスタＭ６がオフになるタイミングから開始される。オーバーフロートランジスタＭ６がオフの間、光電変換部Ｄ１で生じた電荷は光電変換部Ｄ１に蓄積される。読み出し対象の第１のグループの画素１２について同時にオーバーフロートランジスタＭ６をオフにすることで、グローバル電子シャッタ動作が可能となる。
【００９４】
オーバーフロートランジスタＭ６がオフの期間中に、制御信号ＰＴｘ１をハイレベルとして転送トランジスタＭ１をオンにすることで、光電変換部Ｄ１で生じた電荷を保持部Ｃ１に転送する。本実施形態の例では、図９に示すように、オーバーフロートランジスタＭ６がオフの間、間欠的に３回、転送トランジスタＭ１をオンにしている。転送トランジスタＭ１を間欠的に駆動している理由は、第１実施形態の場合と同様である。
【００９５】
第１の露光期間の終了時刻は、前述のように、オーバーフロートランジスタＭ６がオンになるタイミングよりも前に、転送トランジスタＭ１がオフになる最後のタイミングである。図９の例では、転送トランジスタＭ１の３回目の間欠駆動における制御信号ＰＴｘ１の立ち下がりのタイミングが、第１の露光期間の終了時刻となる。読み出し対象の第１のグループの画素１２について同時に転送トランジスタＭ１をオフにすることで、グローバル電子シャッタ動作が可能となる。
【００９６】
保持部Ｃ１は、第３の期間の間、電荷を保持することができるため、第１の露光期間に生じた電荷に基づく第１のグループの画素１２の信号の読み出しは、第１の露光期間よりも後、例えば第３の期間の第１の露光期間の後に行うことができる。第１のグループの画素１２の信号の読み出しは、第２のグループの画素１２の信号の読み出しと同様、次フレームの第１の期間に行ってもよい。
【００９７】
第１のグループの画素１２の駆動については、制御信号ＰＯＦＧを常にローレベルに維持するほかは、第１実施形態と同様である。第２のグループの画素１２については、オーバーフロートランジスタＭ６を持たない第１実施形態の画素１２と同様の構成としてもよい。
【００９８】
このようにして、第１のグループの画素１２の第１の露光期間をフレーム期間の中間に配置することで、第１の露光期間の時間重心の位置と、第３の露光期間の時間重心の位置とを近づけることができる。これにより、第１のグループの画素１２から出力される信号に基づく画像と第２のグループの画素１２から出力される信号に基づく画像とを合成する際の被写体の位置ずれを低減することができる。これにより、被写体の位置ずれが小さく、黒つぶれや白飛びのないワイドダイナミックレンジ画像を得ることができる。
【００９９】
［第３実施形態］
本発明の第３実施形態による撮像装置について、図１０及び図１１を用いて説明する。図１乃至図９に示す第１及び第２実施形態による撮像装置と同様の構成要素については同一の符号を付し、説明を省略し或いは簡潔にする。図１０は、本実施形態による撮像装置の動作を示す模式図である。図１１は、本実施形態による撮像装置の動作を示すタイミングチャートである。
【０１００】
本実施形態では、図７に示す回路構成の画素１２を有する第２実施形態による撮像装置１００の他の駆動方法を説明する。本実施形態による撮像装置１００の駆動方法は、第１のグループの画素１２の露光期間の終了時刻と、第２のグループの画素１２の露光期間の終了時刻とが一致している点において、第２実施形態による撮像装置１００の駆動方法とは異なっている。第２のグループの画素１２の撮像動作は、第２実施形態と同様である。ここでは、第１及び第２実施形態の駆動方法と異なる点を中心に説明し、同じ部分については説明を省略し或いは簡潔にする。
【０１０１】
図１０は、時間の経過に伴う撮像装置１００の動作状態の遷移を示した模式図であり、図面において左から右に向かう方向が時間軸に対応している。図１０には、第１のグループ及び第２のグループのそれぞれについて、第ｎフレーム及び第ｎ＋１フレームにおける撮像動作を示している。本実施形態による撮像装置の駆動方法では、第１のグループの画素１２と第２のグループの画素１２の両方について、第１の期間に読み出しが行われる。
【０１０２】
本実施形態による撮像装置の駆動方法では、第１のグループの画素１２の第１の露光期間の終了時刻と、第２のグループの画素１２の第３の露光期間の終了時刻とが一致するように、第１の露光期間の開始時刻と終了時刻とを規定している。第２実施形態において説明したように、第１の露光期間の開始時刻は、制御信号ＰＯＦＧのタイミングにより制御することができる。また、第１の露光期間の終了時刻は、制御信号ＰＴｘ１のタイミングにより制御することができる。
【０１０３】
より具体的には、第１の露光期間の開始時刻は、フレーム期間の開始後、最初に制御信号ＰＯＦＧがハイレベルからローレベルへと遷移するタイミングによって規定することができる。制御信号ＰＯＦＧがローレベルとなりオーバーフロートランジスタＭ６をオフにすることで、光電変換部Ｄ１で生じた電荷は、オーバーフロートランジスタＭ６を介して排出されなくなり、光電変換部Ｄ１に蓄積されるようになる。第１の露光期間の開始時刻は、第１の露光期間の終了時刻が時刻Ｔ４になるように、第１の露光期間の長さに応じて適宜設定される。第１の露光期間は第３の露光期間よりも短いため、第１の露光期間の開始時刻は時刻Ｔ１よりも後である。
【０１０４】
また、第１の露光期間の終了時刻は、制御信号ＰＴｘ１がハイレベルからローレベルへと遷移するタイミングであって、且つ、制御信号ＰＯＦＧがローレベルのときにフレーム期間中に最後に登場するタイミングによって規定することができる。露光期間は、光電変換部Ｄ１で生じた電荷を保持部Ｃ１に転送することによって終了する。オーバーフロートランジスタＭ６がオンになると光電変換部Ｄ１がリセットされるため、露光期間の終了時刻は、オーバーフロートランジスタＭ６がオンになるタイミングよりも前に、転送トランジスタＭ１がオフになる最後のタイミングとなる。本実施形態による駆動方法では、第１の露光期間の終了時刻は時刻Ｔ４であり、オーバーフロートランジスタＭ６がオンになるタイミングは時刻Ｔ４以降である。
【０１０５】
図１１は、本実施形態による撮像装置１００の駆動方法に用いられる駆動パルスの一例を模式的に示したものである。図９には、第１のグループの画素１２及び第２のグループの画素１２のそれぞれについて、制御信号ＰＯＦＧと、制御信号ＰＴｘ１と、制御信号ＰＴｘ２とを示している。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り、制御信号がローレベルのときに対応するトランジスタがオフになる。
【０１０６】
時刻Ｔ１において、フレーム期間は開始されるが、制御信号ＰＯＦＧはハイレベルでありオーバーフロートランジスタＭ６がオンになっているため、光電変換部Ｄ１で生じた電荷は蓄積されない。第１の露光期間は、制御信号ＰＯＦＧがハイレベルからローレベルへと遷移するタイミング、すなわちオーバーフロートランジスタＭ６がオフになるタイミングから開始される。オーバーフロートランジスタＭ６がオフの間、光電変換部Ｄ１で生じた電荷は光電変換部Ｄ１に蓄積される。読み出し対象の第１のグループの画素１２について同時にオーバーフロートランジスタＭ６をオフにすることで、グローバル電子シャッタ動作が可能となる。
【０１０７】
オーバーフロートランジスタＭ６がオフの期間中に、制御信号ＰＴｘ１をハイレベルとして転送トランジスタＭ１をオンにすることで、光電変換部Ｄ１で生じた電荷を保持部Ｃ１に転送する。本実施形態の例では、図１１に示すように、オーバーフロートランジスタＭ６がオフの間、間欠的に２回、転送トランジスタＭ１をオンにしている。転送トランジスタＭ１を間欠的に駆動している理由は、第１実施形態の場合と同様である。
【０１０８】
第１の露光期間の終了時刻は、前述のように、オーバーフロートランジスタＭ６がオンになるタイミングよりも前に、転送トランジスタＭ１がオフになる最後のタイミングである。図１１の例では、転送トランジスタＭ１の２回目の間欠駆動における制御信号ＰＴｘ１の立ち下がりのタイミングである時刻Ｔ４が、第１の露光期間の終了時刻となる。読み出し対象の第１のグループの画素１２について同時に転送トランジスタＭ１をオフにすることで、グローバル電子シャッタ動作が可能となる。
【０１０９】
第１の露光期間に生じた電荷に基づく第１のグループの画素１２の信号の読み出しは、第１の露光期間よりも後、例えば次フレームの第１の期間に行うことができる。すなわち、第１のグループの画素１２の信号の読み出しは、第２のグループの画素１２の信号の読み出しと同じ期間に行うことができる。
【０１１０】
このようにすることで、第１のグループの画素１２の第１の露光期間の終了時刻と第２のグループの画素１２の第３の露光期間の終了時刻とを一致させることができる。これにより、第１のグループの画素１２から出力される信号に基づく画像と第２のグループの画素１２から出力される信号に基づく画像とを合成する際の被写体の位置ずれを低減することができる。これにより、被写体の位置ずれが小さく、黒つぶれや白飛びのないワイドダイナミックレンジ画像を得ることができる。また、第１のグループの画素１２の信号の読み出しと第２のグループの画素１２の信号読み出しとを同じ期間に行うことで読み出し回路の走査回数を減らすことができるため、消費電力を低減することができる。
【０１１１】
［第４実施形態］
本発明の第４実施形態による撮像装置について、図１２乃至図１４を用いて説明する。図１乃至図１１に示す第１乃至第３実施形態による撮像装置と同様の構成要素については同一の符号を付し、説明を省略し或いは簡潔にする。図１２は、本実施形態による撮像装置の画素回路の構成例を示す回路図である。図１３は、本実施形態による撮像装置の断面構造を示す模式図である。図１４は、本実施形態による撮像装置の制御信号を示すタイミングチャートである。
【０１１２】
はじめに、本実施形態による撮像装置１００の構成について、図１２及び図１３を用いて説明する。
【０１１３】
本実施形態による撮像装置１００は、画素１２の回路構成が異なるほかは、第１実施形態による撮像装置１００と同様である。本実施形態による撮像装置１００の画素１２は、図１２に示すように、２つの光電変換部Ｄ１Ａ，Ｄ１Ｂを有している。また、光電変換部Ｄ１Ａから保持部Ｃ１に電荷を転送するための転送トランジスタＭ１Ａと、光電変換部Ｄ１Ｂから保持部Ｃ１に電荷を転送するための転送トランジスタＭ１Ｂとを有している。
【０１１４】
光電変換部Ｄ１Ａを構成するフォトダイオードのアノードは接地電圧線に接続され、カソードは転送トランジスタＭ１Ａのソースに接続されている。光電変換部Ｄ１Ｂを構成するフォトダイオードのアノードは接地電圧線に接続され、カソードは転送トランジスタＭ１Ｂのソースに接続されている。転送トランジスタＭ１Ａのドレイン及び転送トランジスタＭ１Ｂのドレインは、転送トランジスタＭ２のソースに接続されている。画素１２のその他の構成は、第１実施形態による撮像装置１００の画素１２と同様である。
【０１１５】
画素アレイ部１０の画素アレイの各行には、行方向に延在して、制御線Ｔｘ１＿Ａ、制御線Ｔｘ１＿Ｂが、それぞれ配されている。制御線Ｔｘ１＿Ａは、行方向に並ぶ画素１２の転送トランジスタＭ１Ａのゲートにそれぞれ接続され、これら画素１２に共通の信号線をなしている。制御線Ｔｘ１＿Ｂは、行方向に並ぶ画素１２の転送トランジスタＭ１Ｂのゲートにそれぞれ接続され、これら画素１２に共通の信号線をなしている。
【０１１６】
制御線Ｔｘ１＿Ａ、制御線Ｔｘ１＿Ｂは、垂直駆動回路２０に接続されている。制御線Ｔｘ１＿Ａには、垂直駆動回路２０から、転送トランジスタＭ１Ａを制御するための駆動パルスである制御信号ＰＴｘ１＿Ａが出力される。制御線Ｔｘ１＿Ｂには、垂直駆動回路２０から、転送トランジスタＭ１Ｂを制御するための駆動パルスである制御信号ＰＴｘ１＿Ｂが出力される。典型例では、垂直駆動回路２０からハイレベルの制御信号が出力されると対応するトランジスタがオンとなり、垂直駆動回路２０からローレベルの制御信号が出力されると対応するトランジスタがオフとなる。
【０１１７】
図１３は、本実施形態による撮像装置の画素１２の部分的な断面構造を模式的に示している。図１３には一例として表面照射型の撮像装置を示しているが、裏面照射型の撮像装置としてもよい。
【０１１８】
Ｎ型の半導体基板６０内には、Ｎ型半導体領域６２Ａ，６２Ｂ，６４Ａ，６４Ｂ，６６，６８、Ｐ型半導体領域７０，７２，７４，７６が設けられている。光電変換部Ｄ１Ａは、Ｎ型半導体領域６２ＡとＰ型半導体領域７０との間のＰＮ接合により構成される埋め込み型のフォトダイオード構造を有する。光電変換部Ｄ１Ｂは、Ｎ型半導体領域６２ＢとＰ型半導体領域７０との間のＰＮ接合により構成される埋め込み型のフォトダイオード構造を有する。光電変換部Ｄ１Ａと光電変換部Ｄ１Ｂとの間には、Ｐ型半導体領域７６からなる分離領域１９が設けられている。この分離領域１９は、必ずしも均一な濃度で構成されていなくともよい。Ｐ型半導体領域７０により、半導体基板６０の表面部におけるノイズを抑制することが可能となる。
【０１１９】
Ｐ型半導体領域７２は、ウェルを構成する。Ｎ型半導体領域６２Ａ，６２Ｂの下に、それぞれＮ型半導体領域６４Ａ，６４Ｂが配される。Ｎ型半導体領域６４Ａ，６４Ｂの不純物濃度は、Ｎ型半導体領域６２Ａ，６２Ｂの不純物濃度よりも低い。これにより、半導体基板６０の深い位置で生じた電荷がＮ型半導体領域に収集される。Ｎ型半導体領域６４Ａ，６４Ｂの代わりにＰ型半導体領域を設けてもよい。Ｎ型半導体領域６４Ａ，６４Ｂの下には、電荷に対するポテンシャルバリアとなるＰ型半導体領域７４が配される。
【０１２０】
保持部Ｃ１は、Ｎ型半導体領域６６を含む。Ｎ型半導体領域６６に、信号となる電荷が保持される。Ｎ型半導体領域６６の不純物濃度は、Ｎ型半導体領域６２Ａ，６２Ｂの不純物濃度より高い。保持部Ｃ２は、Ｎ型半導体領域６８を含む。
【０１２１】
Ｎ型半導体領域６２ＡとＮ型半導体領域６６との間の半導体基板６０上には、ゲート絶縁膜を介してゲート電極８０が設けられている。ゲート電極８０は、転送トランジスタＭ１Ａのゲートを構成する。Ｎ型半導体領域６２Ａ及びＮ型半導体領域６６は、転送トランジスタＭ１Ａのソース及びドレインとしても機能する。
【０１２２】
Ｎ型半導体領域６６とＮ型半導体領域６８との間の半導体基板６０上には、ゲート絶縁膜を介してゲート電極８２が設けられている。ゲート電極８２は、転送トランジスタＭ２のゲートを構成する。Ｎ型半導体領域６６及びＮ型半導体領域６８は、転送トランジスタＭ２のソース及びドレインとしても機能する。
【０１２３】
半導体基板６０上には、光電変換部Ｄ１Ａ，Ｄ１Ｂ上に開口部８６を有する遮光膜８４が設けられている。保持部Ｃ１は、遮光膜８４によって遮光される。遮光膜８４は、タングステンやアルミニウム等の可視光にとって光を通しにくい金属で形成される。遮光膜８４の開口８６上には、カラーフィルタ８８、マイクロレンズ９０が配される。
【０１２４】
なお、図１３の例では、保持部Ｃ１等の遮光を遮光膜８４により行っているが、他の配線層を用いて遮光するようにしてもよい。また、遮光膜８４と他の配線層とによって遮光するようにしていてもよい。また、保持部Ｃ１及びゲート電極８０等は、必ずしも図示するような構成でなくともよい。例えば、ゲート電極８０を保持部Ｃ１上に延在するようにしてもよいし、保持部Ｃ１の上部に光電変換部Ｄ１Ａ，Ｄ１Ｂと同様のＰ型半導体領域を設けてもよい。
【０１２５】
光電変換部Ｄ１Ａ及び光電変換部Ｄ１Ｂは、レンズの瞳とほぼ共役となるように配置されている。そして、光電変換部Ｄ１Ａ及び光電変換部Ｄ１Ｂは、レンズの瞳の互いに異なる位置を透過した光束を受光する。この構成により、焦点検出が可能である。また、光電変換部Ｄ１Ａの信号と光電変換部Ｄ１Ｂの信号とを加算することにより、撮像を行う画素として利用することも可能である。すなわち、図１３に示した構成によれば、焦点検出用の画素として用いることも、撮像用の画素として用いることも可能である。
【０１２６】
次に、本実施形態による撮像装置１００の駆動方法について、図１４を用いて説明する。
【０１２７】
本実施形態による撮像装置１００の駆動方法では、第１のグループの画素１２を、各フレーム期間において転送トランジスタＭ１Ａを先に駆動するグループＡと、各フレーム期間において転送トランジスタＭ１Ｂを先に駆動するグループＢとに更に分ける。そして、同じフレーム期間内に、第１のグループＡ、第１のグループＢ、第２のグループ毎に、異なる撮像動作を行う。第１のグループＡの画素１２及び第１のグループＢの画素１２が焦点検出用信号を出力する画素であり、第２のグループの画素１２が画像用信号を出力する画素である。
【０１２８】
図１４は、本実施形態による撮像装置１００の駆動方法に用いられる駆動パルスの一例を模式的に示したものである。図１４には、第１のグループＡ、第１のグループＢ、第２のグループのそれぞれについて、制御信号ＰＴｘ１＿Ａと、制御信号ＰＴｘ１＿Ｂと、制御信号ＰＴｘ２とを示している。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り、制御信号がローレベルのときに対応するトランジスタがオフになる。
【０１２９】
まず、第１のグループの画素１２の駆動について説明する。
【０１３０】
第１のグループＡの画素１２及び第１のグループＢの画素１２の撮像動作は、基本的には第１実施形態の第１のグループの画素１２の撮像動作と同じである。第１のグループＡの画素１２については、第１実施形態の制御信号ＰＴｘ１が、制御信号ＰＴｘ１＿Ａに対応する。制御信号ＰＴｘ１＿Ｂは、第１の期間の間ローレベルで維持しているほかは、制御信号ＰＴｘ１＿Ａと同様である。第１のグループＢの画素１２については、第１実施形態の制御信号ＰＴｘ１が、制御信号ＰＴｘ１＿Ｂに対応する。制御信号ＰＴｘ１＿Ａは、第１の期間の間ローレベルで維持しているほかは、制御信号ＰＴｘ１＿Ｂと同様である。制御信号ＰＴｘ２は、第１実施形態の制御信号ＰＴｘ２と同じである。
【０１３１】
このような撮像動作を行うことにより、第１のグループＡの画素１２からは、第１の期間に光電変換部Ｄ１Ａで生じた電荷に基づく信号が、第２の期間において出力される。また、第１のグループＢの画素１２からは、第１の期間に光電変換部Ｄ１Ｂで生じた電荷に基づく信号が、第２の期間において出力される。これらの信号は、１フレームの露光時間が終了する時刻Ｔ４よりも前に出力することができる。より具体的には、第２の期間に信号の読み出しを完了することができる。そのため、ここで得られた信号を用いて焦点検出のための演算を行うことにより、高速に焦点検出を行うことができる。
【０１３２】
次に、第２のグループの画素１２の駆動について説明する。
【０１３３】
第２のグループの画素１２は、画像用信号を出力する画素である。そのため、第１のグループの画素１２の撮像動作とは異なり、光電変換部Ｄ１Ａ及び光電変換部Ｄ１Ｂから保持部Ｃ１へ同時に電荷を転送する。すなわち、図１４に示すように、光電変換部Ｄ１Ａと保持部Ｃ１との間に設けられた転送トランジスタＭ１Ａと、光電変換部Ｄ１Ｂと保持部Ｃ１との間に設けられた転送トランジスタＭ１Ｂとを、同期して駆動する。これにより、光電変換部Ｄ１Ａで生じた電荷と光電変換部Ｄ１Ｂで生じた電荷は、保持部Ｃ１上で加算される。第１の期間と第２の期間と第３の期間との合計の期間に生じた電荷は、次のフレームの第１の期間に出力される。
【０１３４】
第１のグループＡの画素１２及び第１のグループＢの画素１２からは、画像用信号を得ることはできない。しかしながら、これら画素１２の周囲に存在する第２のグループの画素１２の出力データから、第１のグループＡの画素１２及び第１のグループＢの画素１２の位置における補間データを生成することが可能である。
【０１３５】
焦点検出用信号を取得するための第１のグループＡの画素１２及び第１のグループＢの画素１２からの読み出し動作は、１フレーム中に行われる複数回の読み出し動作のうちの最初に実施することが望ましい。また、画像用信号を取得するための第２のグループの画素１２からの読み出し動作は、１フレーム中に行われる複数回の読み出し動作のうちの最後に実施することが望ましい。例えば、当該フレームの第２の期間に焦点検出用信号を出力し、次フレームの第１の期間に撮像信号を出力する本実施形態によれば、撮像信号の出力に先立って焦点検出用信号を得ることができる。これにより、高速な焦点検出動作を行うことができる。
【０１３６】
このような構成とすることで、グローバル電子シャッタ動作を行いながら、画像用信号の出力に先立って焦点検出用信号を出力することができ、高速な焦点検出動作を行うことができる。
【０１３７】
なお、第１のグループＡの画素１２、第１のグループＢの画素１２、第２のグループの画素１２の配置については、図３に示した第１のグループの画素１２と第２のグループの画素１２との配置と同様に、様々なバリエーションが考えられる。このとき、焦点検出用信号を出力する第１のグループＡの画素１２と第１のグループＢの画素１２とは、第１のグループ内にほぼ同数含まれていればよい。また、第１のグループＡの画素１２と第１のグループＢの画素１２とは、画素アレイのなかで、それぞれ近い位置に存在し、互いに対をなす関係となっていることが望ましい。第１のグループＡの画素１２と第１のグループＢの画素１２の対は、画素アレイ部１０内に離散的に配置してもよいし、画素アレイの所定の行或いは列の画素１２を総て第１のグループＡの画素１２及び第１のグループＢの画素１２により構成してもよい。
【０１３８】
また、画素アレイ部１０を構成する総ての画素１２を、複数の光電変換部Ｄ１を有する画素１２により構成する必要はなく、少なくとも焦点検出用信号を取得する画素１２のみを、複数の光電変換部Ｄ１を有する画素１２により構成すればよい。
【０１３９】
［第５実施形態］
本発明の第５実施形態による撮像装置について、図１５を用いて説明する。図１乃至図１４に示す第１乃至第４実施形態による撮像装置と同様の構成要素については同一の符号を付し、説明を省略し或いは簡潔にする。図１５は、本実施形態による撮像装置の断面構造を示す模式図である。
【０１４０】
第４実施形態による撮像装置では、１つの画素１２に２つの光電変換部Ｄ１Ａ，Ｄ１Ｂを有する撮像装置１００を用いて焦点検出信号を取得する例を示したが、画素１２は必ずしも２つの光電変換部Ｄ１Ａ，Ｄ１Ｂを有する必要はない。互いに異なる瞳領域の光を検出する２つの光電変換部を設ける代わりに、第１の瞳領域の光を選択的に検出する光電変換部Ｄ１を有する画素１２と、第１の瞳領域とは異なる第２の瞳領域の光を選択的に検出する光電変換部Ｄ１を有する画素１２とを設けてもよい。
【０１４１】
図１５は、遮光膜８４によって光電変換部が検出する瞳領域を変える例を示したものである。図１５（ａ）は、レンズの瞳の一部の領域（第１の瞳領域）を通過した光が光電変換部Ｄ１によって選択的に検出されるように、遮光膜８４に開口部８６Ａを設けた例である。図１５（ｂ）は、レンズの瞳の他の一部の領域（第２の瞳領域）を通過した光が選択的に光電変換部Ｄ１によって検出されるように、遮光膜８４に開口部８６Ｂを設けた例である。図１５（ｃ）は、第１の瞳領域及び第２の瞳領域を通過した光が光電変換部Ｄ１によって検出されるように、開口部８６Ａ及び開口部８６Ｂに対応する領域に開口部８６を有する遮光膜８４を設けた例である。この場合、図１５（ａ）の構成の画素及び図１５（ｂ）の構成の画素を焦点検出用信号を出力する１対の画素１２として、図１５（ｃ）の構成の画素１２を画像用信号を出力する画素として用いることができる。
【０１４２】
したがって、例えば、第１のグループＡの画素１２を図１５（ａ）の構成とし、第１のグループＢの画素１２を図１５（ｂ）の構成とし、第２のグループの画素１２を図１５（ｃ）の構成とすることで、第４実施形態と同様の機能を実現することができる。この場合、第１のグループＡの画素１２については図１４の制御信号ＰＴｘ１＿Ａによって転送トランジスタＭ１を駆動し、第１のグループＢの画素１２については図１４の制御信号ＰＴｘ１＿Ｂによって転送トランジスタＭ１を駆動すればよい。
【０１４３】
［第６実施形態］
本発明の第６実施形態による撮像システムについて、図１６を用いて説明する。図１乃至図１５に示す第１乃至第５実施形態による撮像装置と同様の構成要素には同一の符号を付し説明を省略し或いは簡潔にする。図１６は、本実施形態による撮像システムの構成を示すブロック図である。
【０１４４】
上記第１乃至第５実施形態で述べた撮像装置１００は、種々の撮像システムに適用可能である。適用可能な撮像システムの例としては、デジタルスチルカメラ、デジタルカムコーダ、監視カメラ、複写機、ファックス、携帯電話、車載カメラ、観測衛星などが挙げられる。また、レンズなどの光学系と撮像装置とを備えるカメラモジュールも、撮像システムに含まれる。図１６には、これらのうちの一例として、デジタルスチルカメラのブロック図を例示している。
【０１４５】
図１６に例示した撮像システム２００は、撮像装置１００、被写体の光学像を撮像装置１００に結像させるレンズ２０２、レンズ２０２を通過する光量を可変にするための絞り２０４、レンズ２０２の保護のためのバリア２０６を有する。レンズ２０２及び絞り２０４は、撮像装置１００に光を集光する光学系である。撮像装置１００は、第１乃至第５実施形態で説明した撮像装置１００であって、レンズ２０２により結像された光学像を画像データに変換する。
【０１４６】
撮像システム２００は、また、撮像装置１００より出力される出力信号の処理を行う信号処理部２０８を有する。信号処理部２０８は、撮像装置１００が出力するアナログ信号をデジタル信号に変換するＡＤ変換を行う。また、信号処理部２０８はその他、必要に応じて各種の補正、圧縮を行って画像データを出力する動作を行う。信号処理部２０８の一部であるＡＤ変換部は、撮像装置１００が設けられた半導体基板に形成されていてもよいし、撮像装置１００とは別の半導体基板に形成されていてもよい。また、撮像装置１００と信号処理部２０８とが同一の半導体基板に形成されていてもよい。
【０１４７】
撮像システム２００は、さらに、画像データを一時的に記憶するためのメモリ部２１０、外部コンピュータ等と通信するための外部インターフェース部（外部Ｉ／Ｆ部）２１２を有する。さらに撮像システム２００は、撮像データの記録又は読み出しを行うための半導体メモリ等の記録媒体２１４、記録媒体２１４に記録又は読み出しを行うための記録媒体制御インターフェース部（記録媒体制御Ｉ／Ｆ部）２１６を有する。なお、記録媒体２１４は、撮像システム２００に内蔵されていてもよく、着脱可能であってもよい。
【０１４８】
さらに撮像システム２００は、各種演算とデジタルスチルカメラ全体を制御する全体制御・演算部２１８、撮像装置１００と信号処理部２０８に各種タイミング信号を出力するタイミング発生部２２０を有する。ここで、タイミング信号などは外部から入力されてもよく、撮像システム２００は少なくとも撮像装置１００と、撮像装置１００から出力された出力信号を処理する信号処理部２０８とを有すればよい。
【０１４９】
撮像装置１００は、撮像信号を信号処理部２０８に出力する。信号処理部２０８は、撮像装置１００から出力される撮像信号に対して所定の信号処理を実施し、画像データを出力する。第４又は第５実施形態の撮像装置１００にあっては、焦点検出用画素が出力する信号に基づく焦点検出用信号と撮像信号をも信号処理部２０８に出力する。信号処理部２０８は、焦点検出用信号を用いて、合焦しているか否かを検出する。また、信号処理部２０８は、撮像信号を用いて、画像を生成する。信号処理部２０８が合焦していないことを検出した場合には、全体制御・演算部２１８は、合焦する方向に光学系を駆動する。再び信号処理部２０８は、撮像装置１００から出力される焦点検出用信号を用いて、再び合焦しているか否かを検出する。以下、撮像装置１００、信号処理部２０８、全体制御・演算部２１８は、合焦するまでこの動作を繰り返す。
【０１５０】
ワイドダイナミックレンジ画像を取得する場合にあっては、全体制御・演算部２１８は、第１のグループの画素１２からの出力信号に基づく画像データと、第２のグループの画素１２からの出力信号に基づく画像データとを合成する処理を実施する。
【０１５１】
第１乃至第５実施形態による撮像装置１００を適用することにより、被写体の位置ずれが小さく黒つぶれや白飛びのないワイドダイナミックレンジ画像を取得しうる撮像システムを実現することができる。また、高速な焦点検出動作が可能な撮像システムを実現することができる。
【０１５２】
［変形実施形態］
本発明は、上記実施形態に限らず種々の変形が可能である。
【０１５３】
例えば、上記実施形態では、信号電荷として電子を生成する光電変換部Ｄ１を用いた撮像装置を例にして説明したが、信号電荷として正孔を生成する光電変換部Ｄ１を用いた撮像装置についても同様に適用可能である。この場合、画素１２を構成するトランジスタの導電型は、逆導電型になる。なお、上記実施形態に記載したトランジスタのソースとドレインの呼称は、トランジスタの導電型や着目する機能等に応じて異なることもあり、上述のソース及びドレインの全部又は一部が逆の名称で呼ばれることもある。
【０１５４】
また、上記第１乃至第５実施形態では、第２のグループの画素１２の露光期間（第３の露光期間）をフレーム期間とほぼ等しくしているが、これら期間は必ずしも等しくする必要はない。第２のグループの画素１２の露光期間についても、第１のグループの画素１２の露光期間と同様に、開始時刻を時刻Ｔ１よりも遅く、或いは、終了時刻を時刻Ｔ４よりも早くしてもよい。例えば、第２又は第３実施形態に示したようなオーバーフロートランジスタＭ６を含む画素構成とすることにより、露光期間の開始時刻と終了時刻とを容易に変えることができる。
【０１５５】
また、上記第１乃至第５実施形態では、第１のグループの画素１２の露光期間（第１の露光期間、第２の露光期間）が、第２のグループの画素１２の露光期間（第３の露光期間）に包含されていたが、必ずしも包含されている必要はない。第１のグループの画素１２の露光期間の少なくとも一部と第２のグループの画素１２の露光期間の少なくとも一部とが重なっている状態であれば、被写体の位置ずれの小さいワイドダイナミックレンジ画像を得ることが可能である。
【０１５６】
また、上記第２及び第３実施形態では、第１の露光期間及び第３の露光期間の開始時刻を、オーバーフロートランジスタＭ６の駆動タイミングによって制御した。しかしながら、例えば静止画の撮像を行う場合、第１の露光期間及び第３の露光期間の開始時刻は、必ずしもオーバーフロートランジスタＭ６の駆動タイミングによって制御する必要はない。静止画の撮像を行う場合、前フレームの蓄積電荷は必ずしも保持部Ｃ１で保持しておく必要はないため、光電変換部Ｄ１の初期化を、保持部Ｃ１，Ｃ２を介してリセットトランジスタＭ３により行うことも可能である。
【０１５７】
また、上記第４実施形態では、撮像信号の取得に先立って焦点検出用信号を取得したが、焦点検出用信号は、必ずしも撮像信号の取得に先立って取得する必要はない。
【０１５８】
また、上記第４実施形態では、第１のグループの画素１２から焦点検出用の信号を取得したが、第１のグループＡの画素１２及び第１のグループＢの画素１２のほかに、撮像信号を出力する画素１２を追加してもよい。この画素１２については、制御信号ＰＴｘ１＿Ａ，ＰＴｘ１＿Ｂを同期して駆動するほかは、第１実施形態の第１のグループの画素１２と同様にして撮像動作を実施することができる。この画素１２からは、ワイドダイナミックレンジ画像に利用可能な短い蓄積時間の信号を出力することができる。
【０１５９】
また、第６実施形態に示した撮像システムは、本発明の撮像装置を適用しうる撮像システムの一例を示したものであり、本発明の撮像装置を適用可能な撮像システムは図１６に示した構成に限定されるものではない。
【０１６０】
なお、上記実施形態は、何れも本発明を実施するにあたっての具体化の例を示したものに過ぎず、これらによって本発明の技術的範囲が限定的に解釈されてはならないものである。すなわち、本発明はその技術思想、又はその主要な特徴から逸脱することなく、様々な形で実施することができる。
【符号の説明】
【０１６１】
Ｄ１，Ｄ１Ａ，Ｄ１Ｂ  光電変換部
Ｃ１，Ｃ２  保持部
Ｍ１，Ｍ２  転送トランジスタ
Ｍ３  リセットトランジスタ
Ｍ４  増幅トランジスタ
Ｍ５  選択トランジスタ
Ｍ６  オーバーフロートランジスタ
１０  画素アレイ部
１２  画素
１４  出力線
８４  遮光膜
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【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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