(57)【要約】      （修正有）【課題】一括シャッター（グローバルシャッター）機能を有し、高輝度被写体撮影時においても、信号劣化や偽信号の発生を防止できるようにした固体撮像装置を提供する。【解決手段】入射光量に応じた信号を発生させる光電変換素子を含む画素を２次元状に複数配列した画素部と、所定方向に配列された複数の画素を読み出し単位群として、外部より入力される設定信号に基づき読み出し単位群単位で読み出し動作を行う垂直走査回路及び垂直走査回路制御部を備え、グローバルシャッター機能を有する固体撮像素子13と、予備撮影時の画像信号から画素部の光量分布を検出する光量分布検出部26と、光量分布検出部で検出された画素部の光量分布情報に基づき、読み出し単位群の読み出す順番を設定する設定信号を生成しＴＧ回路20を介して垂直走査回路制御部へ入力する駆動制御部27とを備えて固体撮像装置を構成する。【選択図】図２
2008042714.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
入射光量に応じた信号を発生させる光電変換部を含む画素を２次元状に複数配列した画素部と、前記画素部における１画素以上の画素を読み出し単位群として、読み出し単位群単位で読み出し動作を行う読み出し駆動部とを備え、撮像信号を得る、前記画素部の対象画素全体の露光開始タイミング及び露光期間を同一とするグローバルシャッター機能を有する固体撮像素子と、
前記固体撮像素子の画素部に入射される光量の分布を検出する光量分布検出手段と、
前記光量分布検出手段で検出された画素部の光量分布情報に基づき、前記読み出し単位群の読み出す順番を前記読み出し駆動部に設定する駆動制御手段とを有することを特徴とする固体撮像装置。
【請求項２】
前記駆動制御手段は、前記読み出し単位群の画素信号を読み出す順番を、光量の大きい画素又は光量の大きい画素領域を含む読み出し単位群を先にするように設定することを特徴とする請求項１に係る固体撮像装置。
【請求項３】
前記光量分布検出手段は、前記固体撮像素子を用いて予備撮影動作を行い、該予備撮影において前記画素部から出力される画像信号から光量分布を検出することを特徴とする請求項１又は２に係る固体撮像装置。
【請求項４】
更に測光手段を備え、前記光量分布検出手段は、前記測光手段の測光信号から光量分布を検出することを特徴とする請求項１又は２に係る固体撮像装置。
【請求項５】
前記固体撮像素子の画素部は、入射光量に応じた信号を発生させる光電変換部と、前記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転送を制御する転送手段と、前記光電変換部の信号をリセットするリセット手段とを有する画素を備え、
前記読み出し駆動部は、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転送を行うことで露光時間を決定し、前記蓄積部の信号レベルを画素信号として読み出し出力するように構成されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に係る固体撮像装置。
【請求項６】
前記固体撮像素子の画素部は、入射光量に応じた信号を発生させる光電変換部と、前記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転送を制御する転送手段と、前記光電変換部の信号をリセットするリセット手段とを有する画素を備え、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とを有し、
前記読み出し駆動部は、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群の光電変換部から蓄積部へ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と前記補正用画素群の蓄積部の信号レベルを画素信号として読み出し、前記信号用画素群と前記補正用画素群の前記画素信号の差分を撮像信号として出力するように構成されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に係る固体撮像装置。
【請求項７】
前記固体撮像素子の画素部は、入射光量に応じた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転送を制御する第１及び第２の転送手段と、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手段とを有する画素を備え、
前記読み出し駆動部は、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、前記各画素の第１及び第２の光電変換部の信号差を画素信号として出力するように構成されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に係る固体撮像装置。
【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信号劣化や偽信号の発生を防止できるようにした固体撮像装置に関する。
【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12は、ＭＯＳ型固体撮像素子の画素構成を示す図である。図12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パルスφＲＭｉ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パルスφＴＲｉ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パルスφＳＥｉ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13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パルスφＲＭ１〜φＲＭｍ及び行転送パルスφＴＲ１〜φＴＲｍ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パルスφＴＲ１〜φＴＲｍ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、行選択パルスφＳＥ１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。更に行リセットパルスφＲＭ１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12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14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 ，・・・とで画素アレイを構成し、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15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15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、電荷蓄積部におけるリーク電流や漏れ光によって生じ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12及び図13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）内にフォトダイオードで発生し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電流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16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ほど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うという問題点がある。
【００１２】
一方、図14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電流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17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ほど電荷蓄積部で保持されている時間が長くなるので、信号電荷を保持している信号用画素の電荷蓄積部が余分電荷Δｑにより飽和し、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電流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、電荷蓄積部におけるリーク電流と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固体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】
【００１５】
請求項１に係る発明は、入射光量に応じた信号を発生させる光電変換部を含む画素を二次元状に複数配列した画素部と、前記画素部における１画素以上の画素を読み出し単位群として、読み出し単位群単位で読み出し動作を行う読み出し駆動部とを備え、撮像信号を得る、前記画素部の対象画素全体の露光開始タイミング及び露光期間を同一とするグローバルシャッター機能を有する固体撮像素子と、前記固体撮像素子の画素部に入射される光量の分布を検出する光量分布検出手段と、前記光量分布検出手段で検出された画素部の光量分布情報に基づき、前記読み出し単位群の読み出す順番を前記読み出し駆動部に設定する駆動制御手段とを有して固体撮像装置を構成するするものである。
【００１６】
請求項２に係る発明は、請求項１に係る固体撮像装置において、前記駆動制御手段は、前記読み出し単位群の画素信号を読み出す順番を、光量の大きい画素又は光量の大きい画素領域を含む読み出し単位群を先にするように設定することを特徴とするものである。
【００１７】
請求項３に係る発明は、請求項１又は２に係る固体撮像装置において、前記光量分布検出手段は、前記固体撮像素子を用いて予備撮影動作を行い、該予備撮影において前記画素部から出力される画像信号から光量分布を検出することを特徴とするものである。
【００１８】
請求項４に係る発明は、請求項１又は２に係る固体撮像装置において、更に、測光手段を備え、前記光量分布検出手段は、前記測光手段の測光信号から光量分布を検出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１〜４のいずれか１項に係る固体撮像装置において、前記固体撮像素子の画素部は、入射光量に応じた信号を発生させる光電変換部と、前記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転送を制御する転送手段と、前記光電変換部の信号をリセットするリセット手段とを有する画素を備え、前記読み出し駆動部は、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転送を行うことで露光時間を決定し、前記蓄積部の信号レベルを画素信号として読み出し出力するように構成されてい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１〜４のいずれか１項に係る固体撮像装置において、前記固体撮像素子の画素部は、入射光量に応じた信号を発生させる光電変換部と、前記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転送を制御する転送手段と、前記光電変換部の信号をリセットするリセット手段とを有する画素を備え、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とを有し、前記読み出し駆動部は、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群の光電変換部から蓄積部へ信号転送を行うことで露光時間を決定し、前記信号用画素群と前記補正用画素群の蓄積部の信号レベルを画素信号として読み出し、前記信号用画素群と前記補正用画素群の前記画素信号の差分を撮像信号として出力するように構成されてい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１〜４のいずれか１項に係る固体撮像装置において、前記固体撮像素子の画素部は、入射光量に応じた信号を発生させる第１及び第２の光電変換部と、前記第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、該第１及び第２の光電変換部から前記蓄積部への信号転送を制御する第１及び第２の転送手段と、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手段とを有する画素を備え、前記読み出し駆動部は、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、前記各画素の第１及び第２の光電変換部の信号差を画素信号として出力するように構成されてい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、画素部の光量分布の検出と画素信号の読み出し順を制御することが可能となるので、画素部の光量分布情報からある画素や画素領域を含む読み出し単位群で、信号劣化や偽信号の発生が予測された場合は、その読み出し単位群を先に読み出すことにより、信号劣化や偽信号の発生を回避することができ、高品質な画像が得られる固体撮像装置を実現できる。
請求項２に係る発明によれば、光量の大きい画素又は光量の大きい画素領域を含む読み出し単位群を先に読み出すことにより、信号劣化や偽信号の発生を回避することができるので、高品質な画像が得られる。
請求項３に係る発明によれば、撮影用と同じ固体撮像素子を用いて、高精度の光量分布の検出が行える。
請求項４に係る発明によれば、固体撮像素子とは別個の測光部を用いて、高速に光量分布の検出が行える。
請求項５に係る発明によれば、光電変換部の信号を全画素リセットし、所定の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行うグローバルシャッター機能を有する固体撮像素子を用いた固体撮像装置において、信号劣化や偽信号の発生を回避した高品質な画像が得られる。
請求項６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、信号用画素の信号と補正用画素の信号の差分を画像信号として出力するグローバルシャッター機能を有する固体撮像素子を用いた固体撮像装置において、信号劣化や偽信号の発生を回避した高品質な画像が得られる。
請求項７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の光電変換部を一括リセットし、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、その後読み出しを行いその差分を撮像信号として出力するグローバルシャッター機能を有する固体撮像素子を用いた固体撮像装置において、信号劣化や偽信号の発生を回避した高品質な画像が得られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
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】
【００２４】
まず、本発明に係る固体撮像装置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は固体撮像素子である。
【００２５】
図２は、図１に示した電子カメラ等に適用する本発明に係る固体撮像装置の実施例１の構成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は絞り機構、13は固体撮像素子、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は固体撮像素子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は各部を制御する制御装置で、焦点信号演算部及び測光信号演算部25，光量分布検出部26，駆動制御部27等を含んでいる。
【００２６】
図３は、実施例１に係る固体撮像装置を構成する固体撮像素子の全体構成を示すブロック構成図で、図４は、図３に示した固体撮像素子で用いられている１画素分の回路構成を示す図である。図３において、50は画素部であり、Ｐ11〜Ｐ66で示す６×６の画素を２次元状に配列した場合の構成を示している。51は垂直走査回路であり、行単位で画素を選択し、選択された行の画素の信号は、列毎に設けられている垂直信号線54へ出力されるようになっている。52は垂直走査回路制御部で、ＴＧ回路20からの駆動制御信号により、画素部50中に示す領域Ａ，領域Ｂ，領域Ｃの３つの分割領域（読み出し単位群）の内、どの領域順に垂直走査回路51が選択するかを制御するものである。ここで領域Ａ，領域Ｂ，領域Ｃとしては、図示例では画素部50を２行ずつ３分割した例を示している。なお、画素部50の分割領域数は３つに限らず、任意に設定することができる。
【００２７】
53は水平読み出し回路であり、垂直走査回路51により選択され、垂直信号線54に出力された１行分の画素の信号を、取り込みパルスφＴ１で制御される取り込みスイッチ55を介して取り込み、その行の画素の信号を水平方向の並びの順で時系列に出力端子56から出力するものである。57は垂直信号線54に接続された電流源である。
【００２８】
次に、このように構成されている固体撮像装置における画素の構成について説明する。画素としては図12に示した４Ｔr 構成のものも用いることができるが、ここでは、図４に示す構成のものを用いている。図４において、ＰＤは光電変換素子であり、ＭＥＭは光電変換素子ＰＤの信号を保持する電荷蓄積部である。ここで、電荷蓄積部ＭＥＭは遮光されており、画素部50に光が入射されていても、電荷蓄積部ＭＥＭに保持されている信号は変化しないようになっている。Ｍ１は光電変換素子ＰＤをリセットするトランジスタであり、ＰＤリセットパルスφＲＰＤにより制御される。Ｍ２は光電変換素子ＰＤの信号を電荷蓄積部ＭＥＭへ転送するトランジスタであり、転送パルスφＴＲにより制御される。Ｍ４は増幅用トランジスタであり、垂直信号線54に設けられた電流源57とでソースフォロアンプを構成する。電荷蓄積部ＭＥＭの信号は、増幅用トランジスタＭ４により増幅され、選択トランジスタＭ５を介して垂直信号線54に出力される。選択トランジスタＭ５は、選択パルスφＳＥにより制御される。Ｍ３は電荷蓄積部ＭＥＭ及び増幅用トランジスタＭ４の入力部をリセットするトランジスタであり、リセットパルスφＲＭにより制御されるようになっている。
【００２９】
次に、図２及び図３に示す固体撮像装置及び固体撮像素子の動作の説明に先立ち、図５に示すタイミングチャートを用いて、図４に示す画素の動作を説明する。図４において、時刻ｔ１でＰＤリセットパルスφＲＰＤを“Ｈ”レベルとすると、光電変換素子ＰＤはリセットされ、その後“Ｌ”レベルにすると入射光により発生する信号の蓄積を開始する。時刻ｔ２でリセットパルスφＲＭを“Ｈ”レベルにし、電荷蓄積部ＭＥＭをリセットする。その後、時刻ｔ３で転送パルスφＴＲを“Ｈ”レベルにし、それまでに光電変換素子ＰＤに蓄積された信号を電荷蓄積部ＭＥＭに転送し、保持する。
【００３０】
そして、時刻ｔ４で選択パルスφＳＥを“Ｈ”レベルにし、電荷蓄積部ＭＥＭに保持している信号を増幅して垂直信号線54に出力する。その後は、取り込みスイッチ、水平読み出し回路を介して、出力端子から信号を出力する。したがって、図４に示す画素においては、時刻ｔ１から時刻ｔ３までの動作を、例えば全画素一括に行うと、全画素の蓄積期間が同一となる。
【００３１】
次に、図２に示した実施例１に係る固体撮像装置の動作について説明する。本実施例においては、撮影シーケンスとしては、予備撮影により得られる画像信号に基づいて画素部の光量分布を検出し、本撮影時における各読み出し領域（読み出し単位群）の読み出し順を設定する場合と、測光部の画素部の各読み出し領域に対応する領域の測光信号に基づいて、画素部の各読み出し領域の光量分布を検出し、撮影時における画素部の各読み出し領域の読み出し順を設定する場合の、２つのケースがある。
【００３２】
最初に、予備撮影により得られる画像信号に基づいて画素部の光量分布を検出し、本撮影時における各読み出し領域（読み出し単位群）の読み出し順を設定する動作について説明する。まず、本実施例に係る固体撮像素子13を用いて、本撮影に先立ち予備撮影を実行する。そして、この予備撮影時の固体撮像素子13からの撮像信号を信号処理回路16を介して光量分布検出部26で受取り、画素部の光量分布を検出する。この際、光量分布検出部26では、画素部50の各領域Ａ，Ｂ，Ｃ毎に、それぞれの光量の平均値又はピーク値を求める。
【００３３】
光量分布検出部26で検出された各領域Ａ，Ｂ，Ｃの光量の平均値又はピーク値は、駆動制御部27に入力され、それらの平均値又はピーク値が、信号の劣化許容レベルあるいは偽信号の発生有無を考慮して決められた閾値を越えているか否かの判断が行われる。そして、光量の平均値又はピーク値が閾値を越える領域がある場合は、本撮影時においてその領域から先に画素信号を読み出すように、駆動制御部27からＴＧ回路20に制御信号が送出される。一方、光量の平均値又はピーク値が閾値を越える領域がない場合は、本撮影時においては、通常通り、画素部の一端側から順次各領域の画素信号を読み出すようにＴＧ回路20に制御信号を送出する。
【００３４】
そして、本撮影時には、ＴＧ回路20から駆動制御部28の指示通りの読み出し順序で画素部の各領域の読み出しが行われるように固体撮像素子13に駆動信号が送出され、光量分布に基づく指示通りの読み出し順で各領域の読み出しが行われる。
【００３５】
次に、測光部23の測光信号に基づいて画素部の光量分布を検出し、画素部の各読み出し領域の読み出し順を設定し、撮影を行う場合の動作について説明する。この場合、測光部23を画素部の各分割領域Ａ，Ｂ，Ｃに対応させて３つの領域Ａ′，Ｂ′，Ｃ′に分割させておくものとする。まず、撮影に先立ち、測光部23で被写体の測光を行い、測光部23の領域Ａ′，Ｂ′，Ｃ′からの測光信号を測光信号演算部を介して光量分布検出部26で受け取り、光量分布検出部26では、測光部23の上記測光信号に基づき画素部の光量分布を検出し、各領域の光量の平均値又はピーク値を求める。
【００３６】
光量分布検出部26で測光信号に基づいて検出された画素部の各領域Ａ，Ｂ，Ｃの光量の平均値又はピーク値が、信号の劣化許容レベルあるいは偽信号の発生有無を考慮して決められた閾値を越えているか否かの判断が行われる。そして、光量の平均値又はピーク値が閾値を越える領域がある場合は、撮影時に、画素部のその領域から先に画素信号を読み出すように、駆動制御部27からＴＧ回路20に制御信号が送出される。一方、光量の平均値又はピーク値が閾値を越える領域がない場合は、撮影時においては、通常通り、画素部の一端側から順次各領域の画素信号を読み出すようにＴＧ回路20に制御信号を送出する。
【００３７】
そして、撮影時には、ＴＧ回路20から駆動制御部27の指示通りの読み出し順序で画素部の各領域の読み出しが行われるように固体撮像素子13に駆動信号が送出され、光量分布に基づく指示通りの読み出し順で各領域の読み出しが行われる。
【００３８】
次に、画素部の３分割した読み出し領域（読み出し単位群）Ａ，Ｂ，Ｃのうち領域Ｂの光量の平均値又はピーク値が閾値を越え、画素部の領域Ｂ→領域Ａ→領域Ｃの順番で画素信号を読み出す場合の固体撮像素子の動作を、図６のタイミングチャートに基づいて説明する。
【００３９】
まず、時刻ｔ１において、ＰＤリセットパルスφＲＰＤ−１〜φＲＰＤ−６を“Ｈ”レベルから“Ｌ”レベルとして、全画素の光電変換素子ＰＤを一括リセットし、蓄積を開始する。次いで、時刻ｔ２において、リセットパルスφＲＭ−１〜φＲＭ−６を“Ｈ”レベルにし、電荷蓄積部ＭＥＭを一括リセットする。その後、時刻ｔ３において、転送パルスφＴＲ−１〜φＴＲ−６を“Ｈ”レベルにして、全画素の光電変換素子ＰＤの信号を電荷蓄積部ＭＥＭに一括転送し、保持する。ここで時刻ｔ１〜ｔ３の期間が全画素同一の露光期間となる。
【００４０】
次いで、時刻ｔ４で選択パルスφＳＥ−３を“Ｈ”レベルとして、画素部の領域Ｂの１行目である３行目の画素行を選択し、取り込みパルスφＴ１を“Ｈ”レベルにして、その行の画素信号を水平読み出し回路53を介して出力端子56から読み出す。続いて時刻ｔ５で選択パルスφＳＥ−４を“Ｈ”レベルとして、画素部の領域Ｂの２行目である４行目の画素行を選択し、取り込みパルスφＴ１を“Ｈ”レベルにして、その画素行の画素信号を水平読み出し回路53を介して出力端子56から出力信号Ｓig１として読み出す。
【００４１】
続いて、時刻ｔ６，ｔ７において選択パルスφＳＥ−１，φＳＥ−２を順次“Ｈ”レベルとし、画素部の領域Ａの１行目及び２行目である１行目及び２行目の画素行を順次選択し、取り込みパルスφＴ１を“Ｈ”レベルとして、それらの画素行の画素信号を水平読み出し回路53を介して出力端子56から順次読み出す。同様にして、時刻ｔ８，ｔ９において選択パルスφＳＥ−５，φＳＥ−６を順次“Ｈ”レベルとし、画素部の領域Ｃの１行目及び２行目である５行目及び６行目の画素行を順次選択し、取り込みパルスφＴ１を“Ｈ”レベルとして、それらの画素行の画素信号を水平読み出し回路53を介して出力端子56から順次読み出す。
【００４２】
以上のように、予め予備撮影あるいは測光部により、被写体の光量をモニターし、本撮影時には信号の劣化や偽信号の発生しやすい画素又は画素領域を含む読み出し単位群としての領域を先に読み出すように、領域の読み出し順を制御しているので、信号の劣化、偽信号の発生を極力抑えた本撮影を行うことができる。
【００４３】
なお、上記実施例では、信号の劣化の許容レベル等で閾値を設定し、光量の平均値又はピーク値がその閾値を越えるか否かの判定により、各領域の読み出し順を制御するようにしたものを示したが、閾値の設定は行わず、光量の大きい領域から順に読み出すように駆動を制御してもよい。すなわち、光量の大きい領域は信号の劣化や偽信号の発生しやすい領域となるので、この領域を常に先に読み出すように設定することにより、信号の劣化や偽信号の発生を極力抑えた本撮影を行うことができ、またこの場合、閾値判定などの手順が必要としないので、駆動制御部の構成も簡単となる。
【００４４】
また，一般的に画素に増幅素子を設けた固体撮像素子においては、画素のノイズが増大するが、これを抑圧するための手段を設け、それに応じた駆動を行ってもよい。
【００４５】
また、予備撮影を行う場合は、全画素の信号を読み出す必要はなく、間引いて読み出すことも可能であり、この場合、予備撮影の時間を短縮することができる。
【００４６】
また、本撮影においては、画素信号は画素部の一端側から順に必ずしも読み出されるわけではないが、画素信号を読み出す順番は分かっているので、その情報を基に、信号の並び換えを行うことにより、通常の読み出しの場合と全く同一の画像処理を行うことが可能である。
【００４７】
次に、実施例２について説明する。図７は実施例２に係る固体撮像装置における固体撮像素子の構成を示すブロック構成図であり、この実施例は、固体撮像素子の構成が異なるのみで、他の構成は図２に示した実施例１と同様である。この実施例に係る固体撮像素子は、図４に示した画素構成と同様な構成の画素を用いているが、画素部の構成は図14に示したものと同様に、光電変換素子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、光電変換素子で発生した信号を電荷蓄積部へ転送する信号用画素群と、光電変換素子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とを、１行おきに配置した構成となっており、図示例では、奇数行の画素（Ｐ11〜Ｐ61，Ｐ13〜Ｐ63，Ｐ15〜Ｐ65）が信号用画素、偶数行の画素（Ｐ12〜Ｐ62，Ｐ14〜Ｐ64，Ｐ16〜Ｐ66）が補正用画素となっている。
【００４８】
そして、このように構成されている画素部50′を３つの読み出し領域（読み出し単位群）Ａ，Ｂ，Ｃに分け、予備撮影あるいは測光部による信号から検出された各領域の光量分布に基づき、本撮影時の各領域の読み出し順を設定し、領域単位で画素信号を読み出す順序を変えるように構成している点は実施例１と同様である。
【００４９】
本実施例においては、水平読み出し回路53′は、１行分の信号用画素と１行分の補正用画素の信号を保持しておくラインメモリと、同じ列の信号用画素の信号と補正用画素の信号の差分を出力する差分回路とを有しており、（ｎ＋１）行目の信号用画素の信号と（ｎ＋２）行目の補正用画素の信号の差分信号を出力するように構成されている。
【００５０】
次に、画素部の３分割した領域Ａ，Ｂ，Ｃのうち領域Ｂの光量の平均値又はピーク値が閾値を越え、画素部の領域Ｂ→領域Ａ→領域Ｃの順番で画素信号を読み出す場合の固体撮像素子の動作を、図８のタイミングチャートに基づいて説明する。
【００５１】
まず、時刻ｔ１において、ＰＤリセットパルスφＲＰＤ−１〜φＲＰＤ−６を“Ｈ”レベルから“Ｌ”レベルとして、全画素の光電変換素子ＰＤを一括リセットし蓄積を開始する。次いで、時刻ｔ２において、リセットパルスφＲＭ−１〜φＲＭ−６を“Ｈ”レベルにし、電荷蓄積部ＭＥＭを一括リセットする。その後、時刻ｔ３において、転送パルスφＴＲ−１，φＴＲ−３，φＴＲ−５を“Ｈ”レベルにして、信号用画素群の光電変換素子ＰＤの信号を電荷蓄積部ＭＥＭに一括転送し、保持する。ここで時刻ｔ１〜ｔ３の期間が信号用画素同一の露光期間となる。
【００５２】
次いで、時刻ｔ４で選択パルスφＳＥ−３を“Ｈ”レベルとして、画素部の領域Ｂの１行目である信号用画素行を選択し、取り込みパルスφＴ１を“Ｈ”レベルにして、その信号用画素行の画素信号を水平読み出し回路53′の信号用ラインメモリに保持させる。続いて時刻ｔ５で選択パルスφＳＥ−４を“Ｈ”レベルとして、画素部の領域Ｂの２行目である補正用画素行を選択し、取り込みパルスφＴ１を“Ｈ”レベルにして、その補正用画素行の画素信号を水平読み出し回路53′の補正用ラインメモリに保持させる。そして、時刻ｔ６において、信号用ラインメモリと補正用ラインメモリに保持させている画素信号を差分回路に入力して、領域Ｂの差分信号を出力端子56から出力信号Ｓig１として読み出す。
【００５３】
また、時刻ｔ７，ｔ８で選択パルスφＳＥ−１，φＳＥ−２をそれぞれ“Ｈ”レベルとし、画素部の領域Ａの１行目である信号用画素行と２行目である補正用画素行をそれぞれ選択し、取り込みパルスφＴ１を“Ｈ”レベルにして、それらの画素行の画素信号を水平読み出し回路53′の信号用ラインメモリ及び補正用ラインメモリにそれぞれ保持させる。そして時刻ｔ９において、信号用ラインメモリと補正用ラインメモリに保持させている画素信号を差分回路に入力して、領域Ａの差分信号を出力端子56から読み出す。
【００５４】
同様に、時刻ｔ10，ｔ11において選択パルスφＳＥ−５，φＳＥ−６をそれぞれ“Ｈ”レベルとし、画素部の領域Ｃの１行目である信号用画素行と２行目である補正用画素行をそれぞれ選択し、取り込みパルスφＴ１を“Ｈ”レベルにして、それらの画素行の画素信号を水平読み出し回路53′の信号用ラインメモリと補正用ラインメモリにそれぞれ保持させる。そして時刻ｔ12において、信号用ラインメモリと補正用ラインメモリに保持させている画素信号を差分回路に入力して、領域Ｃの差分信号を出力信号Ｓig１として出力端子56から読み出す。
【００５５】
本実施例で説明した固体撮像素子においても、画素ノイズを抑圧するための手段を設け、それに応じた駆動を行ってもよいことは、実施例１と同様である。
【００５６】
次に、実施例３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つの光電変換素子を配置し、まず全画素の第１の光電変換素子を一括リセットし、所定の露光時間経過後に第２の光電変換素子を一括リセットし、その後ほぼ同時に１行ずつ信号を読み出し、第１の光電変換素子の信号から第２の光電変換素子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固体撮像素子を提案した。本実施例は、上記構成の固体撮像素子を用いて本発明に係る固体撮像装置を構成しているものである。なお、本実施例の固体撮像素子以外の構成は、図２に示した実施例１と同様である。
【００５７】
次に、上記固体撮像素子の画素構成を図９に基づいて説明する。図９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光電変換素子を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の光電変換素子101-1 及び第２の光電変換素子101-2 と、第１及び第２の光電変換素子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の光電変換素子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の光電変換素子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の光電変換素子101-1 ，101-2 以外は遮光されている。
【００５８】
なお、図９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の光電変換素子101-1 及び第２の光電変換素子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。
【００５９】
図10は、図９に示した構成の単一画素100 を６行×６列に配列した画素部60を備えた実施例３に係る固体撮像素子の全体構成を示すブロック構成図である。図10において、61は、行リセットパルスφＲＭ−ｉと、第１及び第２の転送パルスφＴＲ１−ｉ，φＴＲ２−ｉと、行選択パルスφＳＥ−ｉとを、それぞれリセット線111 ，第１及び第２の転送線112-1 ，112-2 ，選択線113 に出力しながら、画素部60を走査する垂直走査回路であり、また63-1は、１行分の画素の第１の光電変換素子101-1 からの画素信号のＦＰＮキャンセル等の処理を行う第１の行並列処理回路、64-1は第１の行並列処理回路63-1の処理結果を記憶する第１のラインメモリ、65-1は第１のラインメモリ64-1に記憶された１行分の第１の光電変換素子101-1 の画素信号を選択スイッチを介して順次選択しながら走査し、第１のアンプ66-1を通して出力する第１の水平走査回路である。
【００６０】
また、63-2は１行分の画素の第２の光電変換素子101-2 からの画素信号のＦＰＮキャンセル等の処理を行う第２の行並列処理回路、64-2は第２の行並列処理回路63-2の処理結果を記憶する第２のラインメモリ、65-2は第２のラインメモリ64-2に記憶された１行分の第２の光電変換素子101-2 の画素信号を選択スイッチを介して順次選択しながら走査し、第２のアンプ66-2を通して出力する第２の水平走査回路である。67は第１のアンプ66-1から出力される第１の光電変換素子101-1 からの画素信号と第２のアンプ66-2から出力される第２の光電変換素子101-2 からの画素信号の差分信号を出力させるための差分信号出力手段である。なお、第１及び第２の水平走査回路は兼用させてもよい。ここで、画素部60は３つの読み出し領域（読み出し単位群）Ａ，Ｂ，Ｃに分割されていて、垂直走査回路制御部62の指示により、領域単位で画素信号を読み出す順序を変えることが可能な構成となっている。
【００６１】
次に、このように構成されている実施例３の動作について説明する。この実施例においても、画素部の３分割した領域Ａ，Ｂ，Ｃのうち領域Ｂの光量の平均値又はピーク値が閾値を越え、画素部の領域Ｂ→領域Ａ→領域Ｃの順番で画素信号を読み出す場合について、図11のタイミングチャートに基づいて説明する。
【００６２】
まず、時刻ｔ１において、画素部の全行に対してリセットパルスφＲＭ−１〜φＲＭ−６及び第１の転送パルスφＴＲ１−１〜φＴＲ１−６を入力し、全画素の第１の光電変換素子101-1 及び電荷蓄積部103 を一括リセットし蓄積を開始する。次いで所定時間（露光期間）経過後の時刻ｔ２において、全行に対してリセットパルスφＲＭ−１〜φＲＭ−６及び第２の転送パルスφＴＲ２−１〜φＴＲ２−６を入力し、全画素の第２の光電変換素子101-2 及び電荷蓄積部103 を一括リセットする。
【００６３】
次いで、時刻ｔ３で選択パルスφＳＥ−３を“Ｈ”レベルとして、画素部の領域Ｂの１行目である３行目の画素行を選択し、続いて時刻ｔ４においてリセットパルスφＲＭ−３を“Ｈ”レベルとして、画素部の領域Ｂの１行目である３行目の画素行の電荷蓄積部をリセットする。続いて時刻ｔ５で第１の転送パルスφＴＲ１−３を“Ｈ”レベルとし、領域Ｂの１行目である３行目の画素行の第１の光電変換素子101-1 の信号を電荷蓄積部に転送する。次いで時刻ｔ６でリセットパルスφＲＭ−３を“Ｈ”レベルとし、領域Ｂの１行目である３行目の画素行の電荷蓄積部を再リセットする。続いて時刻ｔ７で第２の転送パルスφＴＲ２−３を“Ｈ”レベルとし、領域Ｂの１行目である３行目の画素行の第２の光電変換素子101-2 の信号を電荷蓄積部に転送し、続いて時刻ｔ８で第１及び第２の水平走査回路65-1，65-2を駆動し、領域Ｂの１行目である３行目の画素行の第１の光電変換素子101-1 の信号と第２の光電変換素子101-2 の信号の差分信号を、差分信号出力手段67を介して出力する。
【００６４】
以下同様にして、領域Ｂの２行目である４行目の画素行の差分信号、領域Ａの１行目である１行目の画素行の差分信号、領域Ａの２行目である２行目の画素行の差分信号、領域Ｃの１行目である５行目の画素行の差分信号、領域Ｃの２行目である６行目の画素行の差分信号を順次出力する。
【００６５】
上記実施例３においては、１画素中に第１及び第２の光電変換素子を配置した画素を用いたものを示したが、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て単一の画素を構成するようにしたものを用いてもよい。この場合は、２つの単位画素の各光電変換素子は、光学的に同じとみなされる結像位置に配置されている必要がある。
【００６６】
上記実施例２及び３においても、予め予備撮影あるいは測光部により、被写体の光量をモニターし、本撮影時には信号の劣化や偽信号の発生しやすい画素又は画素領域を含む読み出し単位群としての領域を先に読み出すように、領域の読み出し順を制御しているので、信号の劣化、偽信号の発生を極力抑えた本撮影を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００６７】
【図１】本発明に係る固体撮像装置を適用する電子カメラの概略構成を示す図である。
【図２】本発明に係る固体撮像装置の実施例１の構成を示すブロック構成図である。
【図３】図２に示した実施例１における固体撮像素子の構成を示すブロック構成図である。
【図４】図３に示した固体撮像素子の画素構成を示す回路構成図である。
【図５】図４に示した画素の動作を説明するためのタイミングチャートである。
【図６】図３に示し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である。
【図７】実施例２に係る固体撮像装置における固体撮像素子の構成を示すブロック構成図である。
【図８】図７に示し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である。
【図９】実施例３に係る固体撮像装置における固体撮像素子の画素構成を示す回路構成図である。
【図１０】実施例３に係る固体撮像装置における固体撮像素子の構成を示すブロック構成図である。
【図１１】図10に示し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である。
【図１２】従来のＭＯＳ型撮像素子の画素構成を示す図である。
【図１３】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１４】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１５】図14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１６】図13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１７】図14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】
【００６８】
１  カメラ本体
２  撮像光学計
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  絞り機構
13  固体撮像素子
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
25  焦点信号演算部・測光信号演算部
26  光量分布検出部
27  駆動制御部
50，50′，60  画素部
51，61  垂直走査回路
52，62  垂直走査回路制御部
53，53′  水平読み出し回路
54  垂直信号線
55  取り込みスイッチ
56  出力端子
57  電流源
63-1  第１の行並列処理回路
63-2  第２の行並列処理回路
64-1  第１のラインメモリ
64-2  第２のラインメモリ
65-1  第１の水平走査回路
65-2  第２の水平走査回路
66-1  第１のアンプ
66-2  第２のアンプ
67  差分信号出力手段
100   画素
101-1   第１の光電変換素子
101-2   第２の光電変換素子
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
112-1   第１の転送線
112-2   第２の転送線
113   選択線
【図１】
2008042714.tif 000003
【図２】
2008042714.tif 000004
【図３】
2008042714.tif 000005
【図４】
2008042714.tif 000006
【図５】
2008042714.tif 000007
【図６】
2008042714.tif 000008
【図７】
2008042714.tif 000009
【図８】
2008042714.tif 000010
【図９】
2008042714.tif 000011
【図１０】
2008042714.tif 000012
【図１１】
2008042714.tif 000013
【図１２】
2008042714.tif 000014
【図１３】
2008042714.tif 000015
【図１４】
2008042714.tif 000016
【図１５】
2008042714.tif 000017
【図１６】
2008042714.tif 000018
【図１７】
2008042714.tif 000019