(57)【要約】【課題】  グローバルシャッター機能を有し、高輝度撮影時においても信号劣化や偽信号の発生を防止できるようにしたカメラシテスムを提供する。【解決手段】  フォトダイオード101 と電荷蓄積部103 と転送トランジスタ102 とリセットトランジスタ104 と増幅トランジスタ105 と選択トランジスタ106 とを有する画素100 を二次元状に複数配列した画素部を備え、フォトダイオードの信号を全画素同時にリセットし、所定時間後にフォトダイオードから電荷蓄積部へ信号転送を行った後、画素からの信号読み出し動作を順次行うＭＯＳ型撮像素子と、ＭＯＳ型撮像素子の各画素からの信号読み出し動作中に入射する光量を抑圧する入射光量変更手段としての絞り機構３を設けてカメラシステムを構成する。【選択図】        図３
2008028516.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
入射した光量に応じて電気信号を発生させる光電変換部と、該光電変換部で発生した信号を蓄積する蓄積部と、前記光電変換部から前記蓄積部への信号の転送を制御する転送スイッチ手段と、前記光電変換部の信号をリセットするリセットスイッチ手段と、前記蓄積部の信号に応じた電圧値を出力する増幅部と、該増幅部の出力を選択する選択スイッチとを有する画素を行方向及び列方向に二次元状に複数配列した画素部を少なくとも有し、前記光電変換部の信号を全画素同時にリセットし、所定の時間後に前記光電変換部から前記蓄積部への信号の転送を行うことで露光時間を決定し、その後前記画素からの信号の読み出しを順次行うＭＯＳ型撮像素子と、
該ＭＯＳ型撮像素子の各画素からの信号読み出し動作中に前記ＭＯＳ型撮像素子に入射する光量を抑圧する入射光量抑圧手段と、
を少なくとも有することを特徴とするカメラシステム。
【請求項２】
入射した光量に応じて電気信号を発生させる光電変換部と、該光電変換部で発生した信号を蓄積する蓄積部と、前記光電変換部から前記蓄積部への信号の転送を制御する転送スイッチ手段と、前記光電変換部の信号をリセットするリセットスイッチ手段と、前記蓄積部の信号に応じた電圧値を出力する増幅部と、該増幅部の出力を選択する選択スイッチとを有する画素を行方向及び列方向に二次元状に複数配列した画素部であって、露光期間終了後に、前記光電変換部で発生した信号を前記蓄積部へ転送する信号用画素群と、前記光電変換部で発生した信号を前記蓄積部へ転送しない補正用画素群からなる画素部を少なくとも有し、前記光電変換部の信号を全画素同時にリセットし、所定の時間後に、前記信号用画素の光電変換部から前記蓄積部への信号転送を行うことで露光時間を決定し、前記信号用画素群の画素からの読み出し信号と前記補正用画素群の画素からの読み出し信号との差分を撮像信号として出力するＭＯＳ型撮像素子と、
該ＭＯＳ型撮像素子の各画素からの信号読み出し動作中に前記ＭＯＳ型撮像素子に入射する光量を抑圧する入射光量抑圧手段と、
を少なくとも有することを特徴とするカメラシステム。
【請求項３】
入射した光量に応じて電気信号を発生させる第１及び第２の光電変換部と、該第１及び第２の光電変換部で発生した信号を蓄積する蓄積部と、前記第１及び第２の光電変換部から前記蓄積部への信号の転送を制御する第１及び第２の転送スイッチ手段と、前記第１及び第２の光電変換部の信号をリセットするリセットスイッチ手段と、前記蓄積部の信号に応じた電圧値を出力する増幅部と、該増幅部の出力に接続された選択スイッチとを有する画素を行方向及び列方向に二次元状に複数配列した画素部を少なくとも有し、前記第１の光電変換部の信号を全画素同時にリセットし、所定の時間後に前記第２の光電変換部の信号のリセットを全画素同時に行い、前記第１の光電変換部のリセットから、前記第２の光電変換部のリセットの時間差を露光時間とし、その後前記各画素の第１及び第２の光電変換部の信号の読み出し動作を順次行い、前記第１の光電変換部の信号と前記第２の光電変換部の信号との差分を撮像信号として出力するＭＯＳ型撮像素子と、
該ＭＯＳ型撮像素子の各画素からの信号読み出し動作中に前記ＭＯＳ型撮像素子に入射する光量を抑圧する入射光量抑圧手段と、
を少なくとも有することを特徴とするカメラシステム。
【請求項４】
前記入射光量抑圧手段は、機械的な機構により、前記ＭＯＳ型撮像素子に入射する光量を抑圧することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に係るカメラシステム。
【請求項５】
前記入射光量抑圧手段は、絞り機構及び／又はクイックリターンミラーであることを特徴とする請求項４に係るカメラシステム。
【請求項６】
前記入射光量抑圧手段は、光透過率変更部材の電気的制御により、前記ＭＯＳ型撮像素子に入射する光量を抑圧することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に係るカメラシステム。
【請求項７】
前記入射光量抑圧手段は、前記ＭＯＳ型撮像素子において信号読み出しの遅い行又は列から順に前記ＭＯＳ型撮像素子に入射する光量を抑圧することを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に係るカメラシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、一括シャッター（グローバルシャッターとも称される）機能を有し、高輝度被写体撮像時においても偽信号の発生を防止できるようにしたカメラシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、固体撮像素子として増幅読み出し機能を有する画素を用いたＭＯＳ型固体撮像素子が知られている。図20は、ＭＯＳ型固体撮像素子の画素構成を示す図である。図20において、100 は単一画素を示し、101 は光電変換素子であるフォトダイオード、102 はフォトダイオード101 で発生した信号電荷を電荷蓄積部（ＦＤ）103 に転送するための転送トランジスタ、104 はフォトダイオード101 及び電荷蓄積部103 をリセットするためのリセットトランジスタ、105 は電荷蓄積部103 の電圧レベルを増幅し読み出すための増幅トランジスタ、106 は画素を選択し、垂直信号線114 に増幅トランジスタ105 の出力を伝えるための選択トランジスタをそれぞれ示している。ここで、フォトダイオード101 以外は遮光されている。
【０００３】
また、110 は電源電圧ＶＤＤを印加するための画素電源であり、増幅トランジスタ105 のドレイン側及びリセットトランジスタ104 のドレイン側に電気的に接続されている。111 は１行分の画素をリセットするための行リセット信号φＲＳｉが印加されるリセット線であり、１行分の画素のリセットトランジスタ104 のゲートに接続されている。112 は１行分の画素の信号電荷をそれぞれの画素の電荷蓄積部103 に転送するための行転送信号φＴＸｉが印加される転送線であり、１行分の画素の転送トランジスタ102 のゲートにそれぞれ電気的に接続されている。113 は１行分の画素を選択するための行選択信号φＳＥＬｉが印加される選択線であり、１行分の画素の選択トランジスタ106 のゲートにそれぞれ電気的に接続されている。このように４個のトランジスタを用いた画素構成により、光電変換機能、リセット機能、増幅読み出し機能、一時メモリ機能及び選択機能を実現している。
【０００４】
そして、このような構成の画素をｍ行×ｎ列に配列して画素アレイを構成しており、図示しない垂直及び水平走査回路を用いて、１行毎の画素信号を１行目からｍ行目まで順次選択して読み出し、全画素信号を読み出すという通常のＸＹアドレス読み出し手法が用いられている。
【０００５】
しかしながら、このような通常のＸＹアドレス読み出し方式においては、信号を電荷蓄積部103 に転送し蓄積する時刻が画素アレイの行毎に異なるため、より具体的には、最初に読み出す第１行と最後に読み出す第ｍ行とでは最大で１フレーム分時刻が異なるために、高速移動物体を撮影したときに画像が歪むという問題が生じる。
【０００６】
このような通常のＸＹアドレス読み出し方式における上記問題点を解決する手法として、グローバルシャッター読み出し方式がある。次に、グローバルシャッター読み出し方式の動作を図21に示すタイミングチャートを参照しながら説明する。まず、図示していない垂直走査回路から全行の行リセット信号φＲＳ１〜φＲＳｍ及び行転送信号φＴＸ１〜φＴＸｍが同時に出力されることで、全行分の画素のフォトダイオード101 がリセットされる。その後、一定の信号蓄積期間（露光期間）後において、垂直走査回路から全行の行転送信号φＴＸ１〜φＴＸｍが同時に出力されることで、全行分の画素のフォトダイオード101 に露光期間内に蓄積された信号電荷が、電荷蓄積部103 に全行同時に転送される。このような動作でグローバルシャッター動作が行われる。
【０００７】
次いで、電荷蓄積部103 に蓄積された信号電荷の１行ずつの読み出しを開始する。まず、行選択信号φＳＥＬ１が出力されることで、第１行目の画素が選択され、画素の信号レベルが読み出される。更に行リセット信号φＲＳ１が出力されることで、第１行目の画素の電荷蓄積部103 がリセットされ、画素のリセットレベルが読み出される。第１行目の画素の信号レベル及びリセットレベルの読み出しが終了すると、第２の行目の画素が選択され、信号レベル及びリセットレベルが読み出される。この信号読み出し走査を第ｍ行まで行うことで、１フレームの信号読み出しが行われる。
【０００８】
また、従来、特開２００６−１０８８８９号公報には、図20に示した画素構成の単一画素を２ｍ行×ｎ列に配列して構成した画素アレイを用いた固体撮像素子において、図22に示すように、１行おきに、フォトダイオードの信号を全画素同時にリセットし、所定の露光期間終了後に、フォトダイオードで発生した信号を電荷蓄積部へ転送する信号用画素群200-1 ，200-2 ，・・・と、フォトダイオードで発生した信号を電荷蓄積部へ転送しない補正用画素群300-1 ，300-2 ，・・・とし、信号用画素群200-1 ，200-2 ，・・・と補正用画素群300-1 ，300-2 ，・・・のそれぞれの信号出力の差分をとり、画像信号として出力させるようにしたものが提案されている。
【０００９】
図23に、このように構成された固体撮像素子の動作を説明するためのタイミングチャートを示す。図23において、１Ｍ行目〜ｍＭ行目とは、信号用画素群200-1 ，200-2 ，・・・の１行目〜ｍ行目を示し、１Ｓ行目〜ｍＳ行目とは、補正用画素群300-1 ，300-2 ，・・・の１行目〜ｍ行目を示している。
【００１０】
そして、このように構成された固体撮像装置によれば、信号電荷を電荷蓄積部へ一括転送した後、信号を行毎に順次読み出すようにした場合、読み出しが後になる行の画素の電荷蓄積部における信号保持時間が長くなり、リーク電流や漏れ光によるシェーディングが発生しやすくなるが、上記差分信号を求める手法により、このシェーディングの発生を防止することができるとされている。
【特許文献１】２００６−１０８８８９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
ところで、図20及び図21に示した従来の一括シャッター方式のＭＯＳ型固体撮像素子（従来技術１）においては、全画素のフォトダイオードの一括リセットと、一定期間（露光期間）内に蓄積された信号電荷の電荷蓄積部（ＦＤ部）への一括転送とを行い、その電荷蓄積部より順次信号を読み出すようにしているが、電荷蓄積部においてはリークや斜め光などの漏れ光による余分電荷Δｑが発生するので、電荷蓄積部から読み出される撮像信号は、図24に示すように、フォトダイオードから転送された信号ｑ-sigに余分電荷Δｑを加算したもの（ｑ-sig＋Δｑ）となる。そして、電荷蓄積部からの読み出しが後になる行の画素の信号の電荷蓄積部における信号保持時間が長くなるので、電荷蓄積部で発生する余分電荷Δｑも大となり、読み出し信号が劣化する。場合によっては、電荷蓄積部が飽和してしまい、読み出し信号出力に信号成分がなくなってしまうという問題点がある。
【００１２】
一方、図22に示した従来技術２においては、信号電荷を転送する信号用画素からの信号と、信号電荷を転送しない補正用画素からの信号との差分を画像信号として出力するようにしているので、電荷蓄積部において発生するリークや漏れ光による余分電荷Δｑをキャンセルすることができるので、一般的には信号の劣化は生じない。
【００１３】
しかしながら、図25に示すように、この方式においても、やはり、読み出しが後になる行の画素の信号が電荷蓄積部で保持されている時間が長くなると、信号電荷を保持している方の画素の電荷蓄積部が飽和し、一方、補正用画素の電荷蓄積部は信号分を保持せずリークや漏れ光による余分電荷Δｑだけを保持しているので飽和しないという状態が発生する。その状態で差分をとると、本来取得したい信号とは異なる偽信号が出力されることになる。余分電荷Δｑは、電荷蓄積部へのリーク分と電荷蓄積部への斜め光などの漏れ光によるものなので、特に高輝度の被写体の撮像時には、このような偽信号が発生する確率が高くなる。
【００１４】
本発明は、従来のＭＯＳ型固体撮像素子における上記問題点を解消するためになされたもので、グローバルシャッター機能を有し、高輝度被写体撮像時においても信号劣化や偽信号の発生を防止できるようにしたカメラシステム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】
【００１５】
上記問題点を解決するため、請求項１に係る発明は、入射した光量に応じて電気信号を発生させる光電変換部と、該光電変換部で発生した信号を蓄積する蓄積部と、前記光電変換部から前記蓄積部への信号の転送を制御する転送スイッチ手段と、前記光電変換部の信号をリセットするリセットスイッチ手段と、前記蓄積部の信号に応じた電圧値を出力する増幅部と、該増幅部の出力を選択する選択スイッチとを有する画素を行方向及び列方向に二次元状に複数配列した画素部を少なくとも有し、前記光電変換部の信号を全画素同時にリセットし、所定の時間後に前記光電変換部から前記蓄積部への信号の転送を行うことで露光時間を決定し、その後前記画素からの信号の読み出しを順次行うＭＯＳ型撮像素子と、該ＭＯＳ型撮像素子の各画素からの信号読み出し動作中に前記ＭＯＳ型撮像素子に入射する光量を抑圧する入射光量抑圧手段と、を少なくとも有してカメラシステムを構成するものである。
【００１６】
請求項２に係る発明は、入射した光量に応じて電気信号を発生させる光電変換部と、該光電変換部で発生した信号を蓄積する蓄積部と、前記光電変換部から前記蓄積部への信号の転送を制御する転送スイッチ手段と、前記光電変換部の信号をリセットするリセットスイッチ手段と、前記蓄積部の信号に応じた電圧値を出力する増幅部と、該増幅部の出力を選択する選択スイッチとを有する画素を行方向及び列方向に二次元状に複数配列した画素部であって、露光期間終了後に、前記光電変換部で発生した信号を前記蓄積部へ転送する信号用画素群と、前記光電変換部で発生した信号を前記蓄積部へ転送しない補正用画素群からなる画素部を少なくとも有し、前記光電変換部の信号を全画素同時にリセットし、所定の時間後に、前記信号用画素の光電変換部から前記蓄積部への信号転送を行うことで露光時間を決定し、前記信号用画素群の画素からの読み出し信号と前記補正用画素群の画素からの読み出し信号との差分を撮像信号として出力するＭＯＳ型撮像素子と、該ＭＯＳ型撮像素子の各画素からの信号読み出し動作中に前記ＭＯＳ型撮像素子に入射する光量を抑圧する入射光量抑圧手段と、を少なくとも有してカメラシステムを構成するものである。
【００１７】
請求項３に係る発明は、入射した光量に応じて電気信号を発生させる第１及び第２の光電変換部と、該第１及び第２の光電変換部で発生した信号を蓄積する蓄積部と、前記第１及び第２の光電変換部から前記蓄積部への信号の転送を制御する第１及び第２の転送スイッチ手段と、前記第１及び第２の光電変換部の信号をリセットするリセットスイッチ手段と、前記蓄積部の信号に応じた電圧値を出力する増幅部と、該増幅部の出力に接続された選択スイッチとを有する画素を行方向及び列方向に二次元状に複数配列した画素部を少なくとも有し、前記第１の光電変換部の信号を全画素同時にリセットし、所定の時間後に前記第２の光電変換部の信号のリセットを全画素同時に行い、前記第１の光電変換部のリセットから、前記第２の光電変換部のリセットの時間差を露光時間とし、その後前記各画素の第１及び第２の光電変換部の信号の読み出し動作を順次行い、前記第１の光電変換部の信号と前記第２の光電変換部の信号との差分を撮像信号として出力するＭＯＳ型撮像素子と、該ＭＯＳ型撮像素子の各画素からの信号読み出し動作中に前記ＭＯＳ型撮像素子に入射する光量を抑圧する入射光量抑圧手段と、を少なくとも有してカメラシステムを構成するものである。
【００１８】
請求項４に係る発明は、請求項１〜３のいずれか１項に係るカメラシステムにおいて、前記入射光量抑圧手段は、機械的な機構により、前記ＭＯＳ型撮像素子に入射する光量を抑圧することを特徴とするものである。
【００１９】
請求項５に係る発明は、請求項４に係るカメラシステムにおいて、前記入射光量抑圧手段は、絞り機構及び／又はクイックリターンミラーであることを特徴とするものである。
【００２０】
請求項６に係る発明は、請求項１〜３のいずれか１項に係るカメラシステムにおいて、前記入射光量抑圧手段は、光透過率変更部材の電気的制御により、前記ＭＯＳ型撮像素子に入射する光量を抑圧することを特徴とするものである。
【００２１】
請求項７に係る発明は、請求項１〜６のいずれか１項に係るカメラシステムにおいて、前記入射光量抑圧手段は、前記ＭＯＳ型撮像素子において信号読み出しの遅い行又は列から順に前記ＭＯＳ型撮像素子に入射する光量を抑圧することを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００２２】
請求項１に係る発明によれば、光電変換部の信号を全画素同時にリセットし、所定時間後に蓄積部へ信号の転送を行うことで露光時間を決定し、画素信号の読み出し動作を順次行うＭＯＳ型固体撮像素子を用いたカメラシステムにおいて、ＭＯＳ型固体撮像素子の各画素からの信号読み出し動作中に該ＭＯＳ型固体撮像素子に入射する光量を抑圧するように構成しているので、蓄積部へのリークや光漏れにより発生する余分電荷を減少させ、信号読み出し動作中の信号劣化を防止することができる。
【００２３】
請求項２に係る発明によれば、画素部を光電変換部で発生した信号を蓄積部へ転送する信号用画素と蓄積部へ転送しない補正用画素とで構成し、信号用画素からの信号と補正用画素からの信号との差分を画像信号として出力するようにしたＭＯＳ型固体撮像素子を用いたカメラシステムにおいて、ＭＯＳ型固体撮像素子の各画素からの信号読み出し動作中に該ＭＯＳ型固体撮像素子に入射する光量を抑圧するように構成しているので、蓄積部へのリークや光漏れにより発生する電荷を減少させ、信号劣化をなくすことができ、且つ信号用画素からの信号が蓄積部で飽和することに基づく偽信号の発生も抑圧できる。そして、この発明においては偽信号の発生の抑圧が主目的なので、蓄積部への光漏れ対策は完全でなくてもよい。
【００２４】
請求項３に係る発明によれば、第１及び第２の光電変換部を有する画素からなる画素部を備え、第１の光電変換部を全画素同時にリセットし、所定露光時間後に第２の光電変換部を一括リセットして、その後読み出し動作を順次行い、その差分を撮像信号として出力するＭＯＳ型固体撮像素子を用いたカメラシステムにおいて、ＭＯＳ型固体撮像素子からの信号読み出し動作中に該ＭＯＳ型固体撮像素子に入射する光量を抑圧するように構成しているので、同様に蓄積部への光漏れにより発生する電荷を減少させ、信号読み出し動作中の信号劣化を抑圧し、偽信号の発生を防止することができる。そして、この発明においては偽信号の発生の抑圧が主目的なので、蓄積部への光漏れ対策は完全でなくてもよい。
【００２５】
請求項４及び５に係る発明によれば、カメラシステムが本来備えている機構を利用して、入射光量抑圧手段を容易に構成することができる。また請求項６に係る発明によれば、入射光量抑圧手段を機械的な変位機構をもたない安定した静止部材で構成することができる。また請求項７に係る発明によれば、読み出しが遅くなる行又は列が最も影響を受けやすくリークや漏れ光による余分電荷の発生量が大となるが、遅くなる行又は列から順に入射する光量を抑圧することにより、効果的に信号の劣化や偽信号の発生を防止することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２６】
次に、本発明を実施するための最良の形態について説明する。
【実施例】
【００２７】
まず、本発明を適用するカメラシステムの構成例として、一般的な一眼レフタイプの電子カメラの概略構成を図１に基づいて説明する。図１において、１はカメラ本体、２は撮像光学系、３は絞り機構、４はクイックリターンミラー、５は測光部、６は焦点検出用ミラー、７は焦点検出部、８は撮像素子である。
【００２８】
図２は、図１に示したカメラシステムである電子カメラに本発明を適用した場合における撮像素子及びそれに関連する装置並びに制御系を示すブロック構成図である。図２において、11はレンズ、12は入射光量変更（抑圧）手段、13はＭＯＳ型撮像素子、14はＡ／Ｄ変換器、15はメモリ、16は信号処理回路、17はメモリ、18は撮像記録用制御装置、19は記録装置、20はＭＯＳ型撮像素子13を駆動する駆動信号を生成するＴＧ回路、21はレンズ制御装置、22は焦点検出部、23は測光部、24は焦点信号演算回路、測光信号演算回路等を含み各部を制御する制御装置である。
【００２９】
次に、図２に示したカメラシステムの具体的な実施例１について説明する。図３の（Ａ）は、実施例１の要部を示す概略構成図、図３の（Ｂ）は、そのＭＯＳ型撮像素子の画素構成を示す図である。図３の（Ａ）に示すように、この実施例１においては、入射光量変更手段12として、カメラシステムにおいて本来備えている絞り機構３を用いるもので、絞り機構３は、ＭＯＳ型撮像素子13の露光期間では、通常の撮影時の露光制御による絞り値に制御され、露光期間後の順次信号読み出し時には、絞り値を高くして、つまり絞り込んで、ＭＯＳ型撮像素子への入射光を抑圧するように構成されている。
【００３０】
本実施例１におけるＭＯＳ型撮像素子13の画素構成は、図20に示した従来例１のＭＯＳ型撮像素子の画素構成と同じであり、同様にｍ行×ｎ列に配列して画素アレイを構成しているものであり、その詳細な説明は省略する。
【００３１】
次に、本実施例１における動作を、図４に示す、各行における画素の露光期間及び信号読み出し期間の蓄積電荷量と入射光量変更手段としての絞り機構の動作態様を示す図と、図５に示す画素部の動作と絞り制御動作を説明するためのタイミングチャートを参照しながら説明する。まず、図示していない垂直走査回路から全行の行リセット信号φＲＳ１〜φＲＳｍ及び行転送信号φＴＸ１〜φＴＸｍが同時に出力されることで、全行分の画素のフォトダイオード101 がリセットされる。その後、一定の信号蓄積期間（露光期間）後において、垂直走査回路から全行の行転送信号φＴＸ１〜φＴＸｍが同時に出力されることで、全行分の画素のフォトダイオード101 に露光期間内に蓄積された信号電荷が、電荷蓄積部103 に全行同時に転送される。このような動作でグローバルシャッター動作が行われる。
【００３２】
上記露光期間中は、絞り機構３は、通常の露光制御に基づいて絞り値が制御される。そして、全行の行転送信号φＴＸ１〜φＴＸｍを同時に出力して、全行分の画素の信号電荷を電荷蓄積部103 へ転送した時点（露光期間の終了時点）で、絞り機構３は制御装置からの制御により絞り込まれ、これにより入射光量が抑圧される。
【００３３】
次いで、この入射光量が抑圧されている状態において、電荷蓄積部103 に蓄積された信号電荷の１行ずつの読み出しを開始する。まず、行選択信号φＳＥＬ１が出力されることで、第１行目の画素が選択され、画素の信号レベルが読み出される。更に行リセット信号φＲＳ１が出力されることで、第１行目の画素の電荷蓄積部103 がリセットされ、画素のリセットレベルが読み出される。第１行目の画素の信号レベル及びリセットレベルの読み出しが終了すると、第２の行目の画素が選択され、信号レベル及びリセットレベルが読み出される。この信号読み出し走査を第ｍ行まで行うことで、１フレームの信号読み出しが行われる。
【００３４】
この露光期間後の信号の順次読み出し期間においては、電荷蓄積部103 において斜め光の入射などによる余分電荷Δｑが発生し、この余分電荷Δｑの発生は電荷蓄積部103 において信号電荷の保持期間の長い読み出し順が後の行の画素の信号に対して大きくなるが、本実施例においては、この読み出し期間において、絞り機構が絞り込まれ入射光量を抑圧しているので、電荷蓄積部103 で発生する余分電荷Δｑを抑えることができ、この余分電荷Δｑにより電荷蓄積部103 が飽和してしまうことを防止することができ、したがって、読み出し信号の劣化を防止することが可能となる。
【００３５】
次に、具体的な実施例２について説明する。この実施例２は、入射光量変更手段としては、実施例１と同様に、絞り機構を用いるものであるが、実施例１とは異なる構成の画素部をもつＭＯＳ型撮像素子を用いているものである。この実施例２におけるＭＯＳ型撮像素子の画素部は、図６に示すように、図22に示した従来例２におけるＭＯＳ型撮像素子の画素部の構成と同じであり、フォトダイオードの信号を全画素同時にリセットし、所定の露光期間の終了時に、フォトダイオードで発生した信号を電荷蓄積部へ転送する信号用画素200-1 ，200-2 ，・・・からなる画素行と、フォトダイオードで発生した信号を電荷蓄積部へ転送しない補正用画素300-1 ，300-2 ，・・・からなる画素行とを１行おきに配置構成したものである。
【００３６】
次に、実施例２における動作を、図７に示す各行における画素の露光期間及び信号読み出し期間の蓄積電荷量と入射光量変更手段12としての絞り機構３の動作態様を示す図と、図８に示す画素部の動作と絞り制御動作を説明するためのタイミングチャートを参照しながら説明する。
【００３７】
まず、図示していない垂直走査回路から信号用画素行及び補正用画素行の全行の行リセット信号φＲＳ１−１〜φＲＳ１−ｍ及びφＲＳ２−１〜φＲＳ２−ｍ，並びに行転送信号φＴＸ１−１〜φＴＸ１−ｍ及びφＴＸ２−１〜φＴＸ２−ｍが同時に出力されることで、全行分の画素のフォトダイオード101 がリセットされる。その後、一定の信号蓄積期間（露光期間）後において、垂直走査回路から信号用画素行の全行の行転送信号φＴＸ１−１〜φＴＸ１−ｍが同時に出力されることで、信号用画素行の全行分の画素のフォトダイオード101 に露光期間内において蓄積された信号電荷が、電荷蓄積部103 に全行同時に転送される。
【００３８】
上記露光期間中は、絞り機構３は、通常の露光制御に基づいて絞り値が制御される。そして、信号用画素行全行の行転送信号φＴＸ１−１〜φＴＸ１−ｍを同時に出力して、信号用画素行全行分の画素の信号電荷を電荷蓄積部へ転送した時点（露光期間の終了時点）で、絞り機構３は制御装置からの制御により絞り込まれ、これにより入射光量が抑圧される。
【００３９】
次いで、この入射光量が抑圧されている状態において、信号用画素行及び補正用画素行の各電荷蓄積部に蓄積されている電荷の、それぞれ１行ずつの読み出しを開始する。まず、信号用画素行の行選択信号φＳＥＬ１−１を出力することで、第１行目の信号用画素行の画素が選択されて、電荷蓄積部への斜め光の入射などによる余分電荷Δｑを加えた画素信号が読み出され、続いて第１行目の補正用画素行の行選択信号φＳＥＬ２−１を出力することで、第１行目の補正用画素行の画素が選択され、ここでは画素信号は転送されていないので電荷蓄積部で発生した余分電荷Δｑのみが読み出される。次いで、両者の差分が取られて行信号として出力される。以下同様にして、第ｍ行まで信号読み出しを行うことで、１フレームの信号読み出しが完了する。
【００４０】
この読み出し手法によれば、信号用画素の信号と補正用画素の信号の差分が撮像信号として出力されるので、電荷蓄積部で発生した余分電荷Δｑがキャンセルされた信号が出力され、出力信号の劣化が防止されるものであるが、このままの構成では、先に述べたように、読み出しが後になる行の画素信号に付加される余分電荷Δｑは大となり、電荷蓄積部より読み出される信号用画素の信号が飽和してしまうことがあり、その状態において差分をとった場合には偽信号が発生する。
【００４１】
本実施例においては、入射光量変更手段12として絞り機構３を用いて、順次読み出し期間においては、絞り機構３を絞り込み、入射光量を抑圧するようにしているので、電荷蓄積部で発生する余分電荷Δｑは小さく、したがって信号読み出しが後になる行の信号用画素の信号も飽和することがなくなるので、差分を取った場合に偽信号が発生するおそれをなくすことができる。
【００４２】
次に、具体的な実施例３について説明する。この実施例３は、図９に示すように、入射光量変更手段12として絞り機構３の代わりに、一眼レフカメラで備えているクイックリターンミラー４を利用するようにしたもので、画素部の構成は図６に示した実施例２と同じである。
【００４３】
図10は、各行における画素の露光期間及び信号読み出し期間の蓄積電荷量と入射光量変更手段12としてのクイックリターンミラー４の動作態様を示す図であり、図11は、画素部の動作とクイックリターンミラー４の制御動作を説明するためのタイミングチャートである。これらの図からわかるように、信号用画素行及び補正用画素行を一括リセットした後、信号用画素行の信号の電荷蓄積部への一括転送までの露光期間中は、通常の撮影を行うため、クイックリターンミラー４をアップした状態にし、信号用画素行の信号の電荷蓄積部への一括転送した時点（露光期間の終了時点）で、クイックリターンミラー４は制御装置からの制御信号によりダウンさせられる。これにより、ＭＯＳ型撮像素子13への入射光は遮断される。
【００４４】
次いで、この入射光が遮断されている状態において、信号用画素行及び補正用画素行の各電荷蓄積部に蓄積されている電荷の、それぞれ１行分ずつの読み出しを開始し、両者の差分をとって行信号（撮像信号）として出力する。
【００４５】
この実施例においても、信号用画素の信号と補正用画素の信号の差分が撮像信号として出力されるので、電荷蓄積部における漏れ光による余分電荷Δｑがキャンセルされた信号劣化のない撮像信号が出力される。また、順次読み出し期間においては、クイックリターンミラー４をダウンさせてＭＯＳ型撮像素子13への入射光を遮断するようにしているので、電荷蓄積部で発生する余分電荷Δｑは小さく、信号読み出しが後になる行の信号用画素の信号も飽和することがなく、したがって、差分をとった場合に偽信号が発生するおそれがない。
【００４６】
また、本実施例においては、入射光量変更手段12としてクイックリターンミラー４を用いており、クイックリターンミラー４は、その機構上、一端を軸支し他端を上方から下方に向けて回転させて、画素部の上方領域から下方領域に向けて順に遮光する形態となっている。また一般に、ＭＯＳ型撮像素子は下方領域から順に読み出す態様をとっているので、クイックリターンミラー４を入射光量変更手段12として用いた場合、読み出し順が最も遅く余分電荷の発生の影響が最も大きい行に対して、最初に遮光する態様になり、漏れ光などによる偽信号の発生を効率的に防止することができる。
【００４７】
なお、本実施例で示した入射光量変更手段としてクイックリターンミラーを用いた構成は、図３の（Ａ），（Ｂ）に示した実施例１にも適用することができる。
【００４８】
次に、具体的な実施例４について説明する。この実施例４は、図12に示すように、入射光量変更手段12として液晶シャッター30を用い、その透過と非透過とを利用するようにしたもので、画素部の構成は図６に示した実施例２と同じである。
【００４９】
図13は、各行における画素の露光期間及び信号読み出し期間の蓄積電荷量と入射光量変更手段12としての液晶シャッター30の動作態様を示す図であり、図14は、画素部の動作と液晶シャッター30の制御動作を説明するためのタイミングチャートである。これらの図からわかるように、信号用画素行及び補正用画素行の一括リセットした後、信号用画素行の信号の電荷蓄積部への一括転送までの露光期間には、通常の撮影を行うため、液晶シャッター30は透過状態にしておき、信号用画素行の信号の電荷蓄積部への一括転送した時点（露光期間の終了時点）で、液晶シャッター30は制御装置からの制御信号により非透過状態にさせられる。これにより、ＭＯＳ型撮像素子13への入射光は遮断される。
【００５０】
次いで、この入射光が遮断されている状態において、信号用画素行及び補正用画素行のの各電荷蓄積部に蓄積されている電荷の、ぞれぞれ１行分ずつの読み出しを開始し、両者の差分をとって行信号（撮像信号）として出力する。
【００５１】
この実施例においても、信号用画素の信号と補正用画素の信号の差分が撮像信号として出力されるので、電荷蓄積部における漏れ光による余分電荷Δｑがキャンセルされた信号劣化のない撮像信号が出力される。また、順次読み出し期間においては、液晶シャッター30を非透過としてＭＯＳ型撮像素子13への入射光を遮断するようにしているので、電荷蓄積部で発生する余分電荷Δｑは小さく、信号読み出しが後になる行の信号用画素の信号も飽和することがなく、したがって、差分をとった場合に偽信号が発生するおそれがない。
【００５２】
上記実施例４では、入射光量変更手段12として液晶シャッター30を用いたものを示したが、液晶シャッター30の代わりにＮＤフィルタや単なる遮光板を用いて、レンズ11とＭＯＳ型撮像素子13との光路上に出入させるように構成しても、同様の効果が得られる。
【００５３】
なお、本実施例で示した入射光量変更手段として液晶シャッターを用いた構成は、図３の（Ａ），（Ｂ）に示した実施例１にも適用することができる。
【００５４】
また、上記実施例１〜４では、ＭＯＳ型撮像素子の画素部を構成する単一の画素として、４つのトランジスタからなる４Tr構成のものを示したが、図15に示すように、フォトダイオード101 の電荷をリセットする排出トランジスタ107 を更に設けた構成の画素を用いてもよい。その場合は、排出トランジスタ107 を全画素同時にオンにした後にオフすることで、露光が開始される。
【００５５】
次に、実施例５について説明する。本件出願人は、先に、１画素中に撮像光学系によって結像される位置が同一とみなされる位置に第１及び第２の２つのフォトダイオードを配置し、まず全画素の第１のフォトダイオードを一括リセットし、所定の露光時間経過後に第２のフォトダイオードを一括リセットし、その後ほぼ同時に１行ずつ信号を読み出し、第１のフォトダイオードの信号から第２のフォトダイオードの信号を差し引くことにより、リセット時間分の差分信号を求め、これにより全画素の露光時間を揃えるようにした、グローバルシャッター機能を有し、暗電流によるＦＰＮやＫＴＣノイズの問題のないＭＯＳ型撮像素子を提案した。本実施例５は、上記構成のＭＯＳ型撮像素子を用いたカメラシステムに本発明を適用したものである。
【００５６】
次に、上記ＭＯＳ型撮像素子の画素構成を図16に基づいて説明する。図16において、100 は単一の画素を示し、この単一画素100 は、従来の４Tr構成の単位画素においてフォトダイオードを２つ設け、それに対応して２つの転送トランジスタを設けた構成となっている。すなわち、第１のフォトダイオード101-1 及び第２のフォトダイオード101-2 と、第１及び第２のフォトダイオード101-1 ，101-2 で発生した信号電荷を電荷蓄積部103 にそれぞれ転送するための第１及び第２の転送トランジスタ102-1 ，102-2 と、電荷蓄積部103 と第１及び第２のフォトダイオード101-1 ，101-2 をリセットするためのリセットトランジスタ104 と、電荷蓄積部103 の電圧レベルを増幅し読み出すための増幅トランジスタ105 と、画素を選択し垂直信号線114 に増幅トランジスタ105 の出力を伝えるための選択トランジスタ106 とで構成されている。そして、ここでは第１及び第２のフォトダイオード101-1 ，101-2 は、同一半導体基板上に同じ大きさで光学的に同じとみなされる結像位置に配置されており、この第１及び第２のフォトダイオード101-1 ，101-2 以外は遮光されている。
【００５７】
なお、図16において、110 は画素電源であり、増幅トランジスタ105 のドレイン側とリセットトランジスタ104 のドレイン側に電気的にそれぞれ接続されている。111 は、１行分の画素をリセットするためのリセット線であり、１行分の画素のリセットトランジスタ104 のゲートに電気的に接続されている。112-1 ，112-2 は、１行分の画素の第１のフォトダイオード101-1 及び第２のフォトダイオード101-2 の信号電荷をそれぞれの画素の電荷蓄積部103 に転送するための第１及び第２の転送線であり、１行分の画素の第１及び第２の転送トランジスタ102-1 ，102-2 のゲートにそれぞれ電気的に接続されている。113 は、１行分の画素を選択するための選択線であり、１行分の選択トランジスタ106 のゲートに電気的に接続されている。
【００５８】
本実施例５は、このような構成の単一画素をｍ行×ｎ列に配列した画素部を備えたＭＯＳ型撮像素子に対して、図９に示した実施例３と同様に、入射光量変更手段12としてクイックリターンミラー４を配置して構成しているものである。
【００５９】
次に、実施例５における動作を、図17に示す。各行における画素の露光期間及び順次信号読み出し期間の蓄積電荷量と入射光量変更手段12としてのクイックリターンミラー４の動作態様を示す図と、図18に示す画素部の動作とクイックリターンミラー４の動作を説明するためのタイミングチャートを参照しながら説明する。まず、画素部の全行に対して、行リセット信号φＲＳ１−１〜φＲＳ１−ｍ及び第１の行転送信号φＴＸ１−１〜φＴＸ１−ｍを入力し、全画素の第１のフォトダイオード101-1 及び電荷蓄積部102 を一括リセットする。次いで所定時間（露光期間）を経過した時点で、全行に対して行リセット信号φＲＳ１−１〜φＲＳ１−ｍ及び第２の行転送信号φＴＸ２−１〜φＴＸ２−ｍを入力し、全画素の第２のフォトダイオード101-2 及び電荷蓄積部102 を一括リセットする。
【００６０】
上記露光期間中は、通常の撮影を行うため、クイックリターンミラー４をアップ状態にし、第２のフォトダイオード101-2 及び電荷蓄積部を一括リセットする時点（露光期間の終了時点）で、クイックリターンミラー４は制御装置からの制御信号によりダウンさせられる。これにより、ＭＯＳ型撮像素子への入射光は遮断される。
【００６１】
次いで、この入射光が遮断されている状態において、１行目の行選択信号φＳＥＬ−１を入力し、続いて第１及び第２の行転送信号φＴＸ１−１，φＴＸ２−１をそれぞれ入力して、１行目の画素の第１及び第２のフォトダイオード101-1 ，101-2 の画素信号を選択読み出す。そして、両信号が差分処理されて、その差分信号が１行目の画素信号として出力される。以下同様にして、２行目以降の画素信号が順次出力される。
【００６２】
この際、第１のフォトダイオード101-1 の一括リセット時刻から、１行目の次の第１の行転送信号φＴＸ１−１が入力されるまでの期間が第１のフォトダイオード101-1 の信号蓄積期間Ｔ１となり、第２のフォトダイオード101-2 の一括リセット時刻から、１行目の次の第２の行転送信号φＴＸ２−１が入力されるまでの期間が第２のフォトダイオード101-2 の信号蓄積期間Ｔ２となる。そして、２度目の第１及び第２の行転送信号φＴＸ１−１，φＴＸ２−１が入力される時間差Δｔは、期間（Ｔ１−Ｔ２）に比べて非常に短いので、第１及び第２のフォトダイオード101-1 ，101-2 の差分信号は、第１のフォトダイオード101-1 の信号蓄積期間Ｔ１と第２のフォトダイオード101-2 の信号蓄積期間Ｔ２との差、つまり第１のフォトダイオード101-1 の一括リセット時刻と第２のフォトダイオード101-2 の一括リセット時刻との間の所定期間（露光期間）における蓄積電荷による信号だけとなる。
【００６３】
これにより、全画素の露光時間を揃えることができ、一括露光信号が得られ、暗電流やＫＴＣノイズの影響による撮像信号出力のＳ／Ｎを劣化させることのない撮像信号が得られる。
【００６４】
しかしながら、この構成のＭＯＳ型撮像素子においても、高輝度撮像時には、第１及び第２のフォトダイオードの信号電荷が飽和してしまうことがあり、いずれかが飽和した場合には差分信号には偽信号が出力され、またいずれも飽和した場合には差分信号がほぼ零となってしまうという問題点がある。
【００６５】
本実施例においては、信号読み出し期間中はクイックリターンミラー４をダウンさせてＭＯＳ型撮像素子への入射光を遮断するようにしているので、第１及び第２のフォトダイオードの出力信号が飽和することが防止され、したがって、その差分信号に偽信号が出力されるのを防止できる。
【００６６】
上記実施例５では、単一の画素内に第１及び第２の２つのフォトダイオードを備えた画素を、ｍ行×ｎ列配列して画素部を構成したものを示したが、図19に示すように、従来の４Tr構成の単位画素を２つ単純に並べて組み合わせた構成のものを単一の画素とし、これをｍ行×ｎ列配列して画素部を構成し、第１及び第２の単位画素のフォトダイオードをそれぞれ第１及び第２のフォトダイオードとして動作させることにより、上記実施例と同等の作用効果をもたせることができる。
【００６７】
また上記実施例５では、入射光量変更手段としてクイックリターンミラーを用いたものを示したが、入射光量変更手段としては、実施例１に示した絞り機構や、実施例４に示した液晶シャッターを用いることができる。
【図面の簡単な説明】
【００６８】
【図１】本発明を適用するカメラシステムの構成例を示す図である。
【図２】本発明に係るカメラシステムの概念を示す概略ブロック図である。
【図３】本発明に係るカメラシステムの実施例１の要部を示す概略図、及びそのＭＯＳ型撮像素子の画素構成を示す図である。
【図４】実施例１におけるＭＯＳ型撮像素子の各行の画素の露光期間及び信号読み出し期間における蓄積電荷量と、入射光量変更手段としての絞り機構の動作態様を示す図である。
【図５】実施例１におけるＭＯＳ型撮像素子の画素部の動作と絞り制御動作を説明するためのタイミングチャートである。
【図６】実施例２におけるＭＯＳ型撮像素子の画素部の構成を示す図である。
【図７】実施例２におけるＭＯＳ型撮像素子の各行の画素の露光期間及び信号読み出し期間における蓄積電荷量と、入射光量変更手段としての絞り機構の動作態様を示す図である。
【図８】実施例２におけるＭＯＳ型撮像素子の画素部の動作と絞り制御動作を説明するためのタイミングチャートである。
【図９】実施例３の要部を示す概略図である。
【図１０】実施例３におけるＭＯＳ型撮像素子の各行の画素の露光期間及び信号読み出し期間における蓄積電荷量と、入射光量変更手段としてのクイックリターンミラーの動作態様を示す図である。
【図１１】実施例３におけるＭＯＳ型撮像素子の画素部の動作とクイックリターンミラーの制御動作を説明するためのタイミングチャートである。
【図１２】実施例４の要部を示す概略図である。
【図１３】実施例４におけるＭＯＳ型撮像素子の各行の画素の露光期間及び信号読み出し期間における蓄積電荷量と、入射光量変更手段としての液晶シャッターの動作態様を示す図である。
【図１４】実施例４におけるＭＯＳ型撮像素子の画素部の動作と液晶シャッターの制御動作を説明するためのタイミングチャートである。
【図１５】実施例１〜４におけるＭＯＳ型撮像素子の画素構成の変形例を示す図である。
【図１６】実施例５におけるＭＯＳ型撮像素子の画素構成を示す図である。
【図１７】実施例５におけるＭＯＳ型撮像素子の各行の画素の露光期間並びに電荷蓄積部への転送及び信号読み出し期間における蓄積電荷量と、入射光量変更手段としてのクイックリターンミラーの動作態様を示す図である。
【図１８】実施例５におけるＭＯＳ型撮像素子の画素部の動作とクイックリターンミラーの制御動作を説明するためのタイミングチャートである。
【図１９】実施例５におけるＭＯＳ型撮像素子の画素構成の変形例を示す図である。
【図２０】従来のＭＯＳ型撮像素子の画素構成を示す図である。
【図２１】従来のＭＯＳ型撮像素子のグローバルシャッター読み出し方式の動作を説明するためのタイミングチャートである。
【図２２】従来の他のＭＯＳ型撮像素子の画素部の構成を示す図である。
【図２３】図22に示した従来例の画素部の信号読み出し動作を説明するためのタイミングチャートである。
【図２４】図21に示した従来のグローバルシャッター読み出し方式における問題点を説明するための説明図である。
【図２５】図22に示した従来のＭＯＳ型撮像素子の信号読み出しにおける問題点を説明するための説明図である。
【符号の説明】
【００６９】
１  カメラ本体
２  撮像光学系
３  絞り機構
４  クイックリターンミラー
５  測光部
６  焦点検出用ミラー
７  焦点検出部
８  撮像素子
11  レンズ
12  入射光量変更手段
13  ＭＯＳ型撮像素子
14  Ａ／Ｄ変換器
15，17  メモリ
16  信号処理回路
18  撮像記録用制御装置
19  記録装置
20  ＴＧ回路
21  レンズ制御装置
22  焦点検出部
23  測光部
24  制御装置
30  液晶シャッター
100   画素
101   フォトダイオード
101-1   第１のフォトダイオード
101-2   第２のフォトダイオード
102   転送トランジスタ
102-1   第１の転送トランジスタ
102-2   第２の転送トランジスタ
103   電荷蓄積部
104   リセットトランジスタ
105   増幅トランジスタ
106   選択トランジスタ
110   画素電源
111   リセット線
112   転送線
112-1   第１の転送線
112-2   第２の転送線
113   選択線
200-1 ，200-2 ，・・・  信号用画素
300-1 ，300-2 ，・・・  補正用画素
【図１】
2008028516.tif 000003
【図２】
2008028516.tif 000004
【図３】
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【図４】
2008028516.tif 000006
【図５】
2008028516.tif 000007
【図６】
2008028516.tif 000008
【図７】
2008028516.tif 000009
【図８】
2008028516.tif 000010
【図９】
2008028516.tif 000011
【図１０】
2008028516.tif 000012
【図１１】
2008028516.tif 000013
【図１２】
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【図１３】
2008028516.tif 000015
【図１４】
2008028516.tif 000016
【図１５】
2008028516.tif 000017
【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
2008028516.tif 000021
【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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