(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
入射光によって生じた電荷の蓄積を行う光電変換部と、前記電荷を保持する保持部と、前記電荷に基づく信号を出力する増幅部と、前記光電変換部から前記保持部に前記電荷を転送する第１の転送スイッチと、前記保持部から前記増幅部へ前記電荷を転送する第２の転送スイッチと、をそれぞれが有する複数の画素を有し、
第１の時刻において、前記複数の画素の各々の前記光電変換部は、前記電荷の蓄積を開始し、
前記複数の画素の各々の前記第１の転送スイッチは、前記第１の時刻の後にオンに制御され、その後第２の時刻にオフに制御されることにより前記光電変換部に蓄積された電荷を前記保持部に転送し、
前記第２の時刻の後の第３の時刻において、前記複数の画素のうちの少なくとも１つの画素の前記第２の転送スイッチは、オンに制御されることにより前記保持部に保持されている電荷を前記増幅部に転送し、
前記第３の時刻の後の第４の時刻において、前記少なくとも１つの画素の前記第２の転送スイッチは、オンに制御されることにより前記保持部に保持されている電荷を前記増幅部に転送し、
前記第３の時刻から前記第４の時刻までの期間において、前記少なくとも１つの画素の前記第１の転送スイッチはオフに維持されており、
前記第３の時刻の後に前記少なくとも１つの画素の前記第２の転送スイッチがオフに制御される時刻を第５の時刻とし、前記第４の時刻の後に前記少なくとも１つの画素の前記第２の転送スイッチがオフに制御される時刻を第６の時刻としたとき、前記第５の時刻から前記第６の時刻までの期間の長さは、１フレーム期間の長さの１／２以下である
ことを特徴とする撮像装置。
【請求項２】
前記複数の画素のそれぞれは、前記光電変換部の電荷を排出する排出スイッチをさらに有し、
前記第１の時刻は、前記排出スイッチをオフにする時刻である
ことを特徴とする請求項１に記載の撮像装置。
【請求項３】
前記第３の時刻から前記第４の時刻までの期間において、前記少なくとも１つの画素の前記排出スイッチはオフに維持されている
ことを特徴とする請求項２に記載の撮像装置。
【請求項４】
前記第３の時刻における転送は、次のフレームのための前記第１の時刻から前記第２の時刻までの期間における電荷の蓄積と並行して行われる
ことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の撮像装置。
【請求項５】
前記第４の時刻における転送は、次のフレームのための前記第１の時刻から前記第２の時刻までの期間における電荷の蓄積と並行して行われる
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３の時刻から前記第４の時刻までの期間において、前記少なくとも１つの画素の前記排出スイッチはオンに維持されている
ことを特徴とする請求項２に記載の撮像装置。
【請求項７】
前記複数の画素は、複数の行をなすように配され、
前記少なくとも１つの画素は、前記複数の行のうちの同一の行に配された画素である
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】
前記複数の画素のそれぞれは、前記増幅部の電圧をリセットするリセットスイッチをさらに有し、
前記第３の時刻から前記第４の時刻までの期間において、前記リセットスイッチ及び前記第２の転送スイッチがともにオンになる期間を有する
ことを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載の撮像装置。
【請求項９】
前のフレームの第４の時刻から前記第２の時刻までの期間において、前記複数の画素の各々の前記第１の転送スイッチは、前記第２の時刻になされるオフへの制御を含めて複数回の転送を行う
ことを特徴とする請求項１乃至８のいずれか１項に記載の撮像装置。
【請求項１０】
前記複数の画素は、複数の行をなすように配され、
前記少なくとも１つの画素は、前記複数の行のうちの同一の行に配された画素であり、
前記第３の時刻における転送と、前記第４の時刻における転送は、その間に他の行の画素に対する転送を行うことなく連続して行われる
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４の時刻に転送された電荷に基づく信号を用いて前記第３の時刻に転送された電荷に基づく信号を処理する信号処理回路をさらに有する
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】
前記信号処理回路は、前のフレームの前記第６の時刻から前記第５の時刻までの期間の長さの、前記第５の時刻から前記第６の時刻までの期間の長さに対する時間比率をさらに用いて前記処理を行う
ことを特徴とする請求項１１に記載の撮像装置。
【請求項１３】
請求項１乃至１２のいずれか１項に記載の撮像装置と、
前記撮像装置から出力された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１４】
請求項１乃至１０のいずれか１項に記載の撮像装置と、
前記撮像装置から出力された信号を処理する信号処理部と
を有し、
前記信号処理部は、第４の時刻に転送された電荷に基づく信号を用いて前記第３の時刻に転送された電荷に基づく信号を処理する
ことを特徴とする撮像システム。
【請求項１５】
前記信号処理部は、前のフレームの前記第６の時刻から前記第５の時刻までの期間の長さの、前記第５の時刻から前記第６の時刻までの期間の長さに対する時間比率をさらに用いて前記処理を行う
ことを特徴とする請求項１４に記載の撮像システム。
【請求項１６】
入射光によって生じた電荷の蓄積を行う光電変換部と、前記電荷を保持する保持部と、前記電荷に基づく信号を出力する増幅部と、前記光電変換部から前記保持部に前記電荷を転送する第１の転送スイッチと、前記保持部から前記増幅部へ前記電荷を転送する第２の転送スイッチと、をそれぞれが有する複数の画素を有する撮像装置の制御方法であって、
第１の時刻において、前記複数の画素の各々の前記光電変換部は、前記電荷の蓄積を開始し、
前記複数の画素の各々の前記第１の転送スイッチは、前記第１の時刻の後にオンに制御され、その後第２の時刻にオフに制御されることにより前記光電変換部に蓄積された電荷を前記保持部に転送し、
前記第２の時刻の後の第３の時刻において、前記複数の画素のうちの少なくとも１つの画素の前記第２の転送スイッチは、オンに制御されることにより前記保持部に保持されている電荷を前記増幅部に転送し、
前記第３の時刻の後の第４の時刻において、前記少なくとも１つの画素の前記第２の転送スイッチは、オンに制御されることにより前記保持部に保持されている電荷を前記増幅部に転送し、
前記第３の時刻から前記第４の時刻までの期間において、前記少なくとも１つの画素の前記第１の転送スイッチはオフに維持されており、
前記第３の時刻の後に前記少なくとも１つの画素の前記第２の転送スイッチがオフに制御される時刻を第５の時刻とし、前記第４の時刻の後に前記少なくとも１つの画素の前記第２の転送スイッチがオフに制御される時刻を第６の時刻としたとき、前記第５の時刻から前記第６の時刻までの期間の長さは、１フレーム期間の長さの１／２以下である
ことを特徴とする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、グローバル電子シャッタ機能を有する撮像装置、撮像システム、及び、撮像装置の制御方法に関する。
【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が提案されている。例えば、特許文献１、特許文献２に記載された撮像装置は、グローバル電子シャッタを用いることによって、動きの速い被写体像の歪みを回避している。
【０００３】
特許文献１に記載の撮像装置においては、光電変換によって生じた電荷の全部が電荷生成部に蓄積され、その後、全画素において同時に電荷生成部から電荷蓄積部に電荷が転送される。これにより、グローバル電子シャッタが実現される。
【０００４】
特許文献２に記載の撮像装置においては、第１の電荷蓄積部で生じ得る偽信号の補正を行うために、偽信号に相当する信号を第２の電荷蓄積部から取得可能な構成となっている。第１の電荷蓄積部に電荷が保持されている期間に、第２の電荷蓄積部を駆動することにより偽信号に相当する信号が読み出される。こうして得られた偽信号成分を示す信号を用いることで、第１の電荷蓄積部に保持された信号を補正することができる旨が特許文献２に記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００４−１１１５９０号公報
【特許文献２】特開２０１１−１８８４１０号公報
【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に記載の手法では補正用の信号の精度が不十分な場合がある。
【０００７】
本発明は上述した課題に鑑みてなされたものであり、本発明の目的は、補正用の信号をより高精度に取得し得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】
【０００８】
本発明の１つの実施形態に係る撮像装置は、入射光によって生じた電荷の蓄積を行う光電変換部と、前記電荷を保持する保持部と、前記電荷に基づく信号を出力する増幅部と、前記光電変換部から前記保持部に前記電荷を転送する第１の転送スイッチと、前記保持部から前記増幅部へ前記電荷を転送する第２の転送スイッチと、をそれぞれが有する複数の画素を有し、第１の時刻において、前記複数の画素の各々の前記光電変換部は、前記電荷の蓄積を開始し、前記複数の画素の各々の前記第１の転送スイッチは、前記第１の時刻の後にオンに制御され、その後第２の時刻にオフに制御されることにより前記光電変換部に蓄積された電荷を前記保持部に転送し、前記第２の時刻の後の第３の時刻において、前記複数の画素のうちの少なくとも１つの画素の前記第２の転送スイッチは、オンに制御されることにより前記保持部に保持されている電荷を前記増幅部に転送し、前記第３の時刻の後の第４の時刻において、前記少なくとも１つの画素の前記第２の転送スイッチは、オンに制御されることにより前記保持部に保持されている電荷を前記増幅部に転送し、前記第３の時刻から前記第４の時刻までの期間において、前記少なくとも１つの画素の前記第１の転送スイッチはオフに維持されており、前記第３の時刻の後に前記少なくとも１つの画素の前記第２の転送スイッチがオフに制御される時刻を第５の時刻とし、前記第４の時刻の後に前記少なくとも１つの画素の前記第２の転送スイッチがオフに制御される時刻を第６の時刻としたとき、前記第５の時刻から前記第６の時刻までの期間の長さは、１フレーム期間の長さの１／２以下であることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
本発明の少なくとも１つの実施形態によれば、補正用の信号をより高精度に取得し得る撮像装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の第１実施形態に係る撮像装置の概略構成を表すブロック図である。
【図２】本発明の第１実施形態に係る撮像装置における画素の等価回路を表す図である。
【図３】本発明の第１実施形態に係る撮像装置の画素の断面構造を模式的に表す図である。
【図４】本発明の第１実施形態に係る撮像装置の動作を模式的に示す図である。
【図５】本発明の第１実施形態に係る撮像装置の制御信号のタイミングチャートである。
【図６】本発明の第１実施形態に係る撮像装置の画素のタイミングチャートである。
【図７】本発明の第２実施形態に係る撮像装置の動作を模式的に示す図である。
【図８】本発明の第２実施形態に係る撮像装置の制御信号のタイミングチャートである。
【図９】本発明の第３実施形態に係る撮像装置の動作を模式的に示す図である。
【図１０】本発明の第３実施形態に係る撮像装置の制御信号のタイミングチャートである。
【図１１】本発明の第４実施形態に係る撮像装置の動作を模式的に示す図である。
【図１２】本発明の第４実施形態に係る撮像装置の制御信号のタイミングチャートである。
【図１３】本発明の第５実施形態に係る撮像装置の動作を模式的に示す図である。
【図１４】本発明の第５実施形態に係る撮像装置の制御信号のタイミングチャートである。
【図１５】本発明の第６実施形態に係る撮像システムのブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
本発明のいくつかの実施形態に係る撮像装置は複数の画素を備え、それぞれの画素は、光電変換部、信号電荷を保持する保持部、電荷に基づく信号を出力する増幅部を有する。さらに画素は、光電変換部から保持部へ実信号電荷を転送する第１の転送トランジスタ、保持部から増幅部へ電荷を転送する第２の転送トランジスタ、光電変換部の電荷を排出するオーバーフロートランジスタを備える。このような構成により、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の動作を行うことができる。電子シャッタとは、入射光によって生じた実信号電荷の蓄積を電気的に制御する撮像動作である。
【００１２】
それぞれのフレームの第１の読み出し期間において、複数の第２の転送トランジスタが順次オンになることにより、前フレームの実信号電荷が保持部から増幅部に順次転送される（第１の読み出し）。なお、この第１の読み出しにより得られる信号には、前フレームの実信号電荷に加え、前フレームにおいて保持部で生じた第２の偽信号電荷が含まれる。この第２の偽信号電荷の蓄積については後述する。実信号電荷の転送が終了した後、保持部では第１の偽信号電荷の蓄積が開始される。
【００１３】
第１の読み出し期間が終了した後の、第２の読み出し期間において、複数の第２の転送トランジスタが順次オンになることにより、第１の偽信号電荷の蓄積が終了し、第１の偽信号電荷が保持部から増幅部に順次転送される（第２の読み出し）。第１の偽信号電荷の転送が終了した保持部は、第２の偽信号電荷の蓄積を開始するとともに、第１の転送トランジスタからの実信号電荷の転送を待機する状態となる。その後、上述と同様にして第１の読み出しが行われ、実信号電荷及び第２の偽信号電荷が再び読み出される。
【００１４】
このようにして、実信号電荷及び第２の偽信号電荷を読み出す第１の読み出しと第１の偽信号電荷を読み出す第２の読み出しとが、それぞれのフレームについて行われる。ここで、第１及び第２の読み出し期間に出力される信号の数は、撮像装置が出力する画像の形式によって変更され得る。例えば、撮像装置が動画の撮影を行う場合であれば、１フレームに用いられる水平ラインの数だけ信号が出力されればよい。なお、撮像装置が備える画素の全部から信号が出力されることは必須ではない。例えば、撮像装置の一部の画素のみから信号が出力される構成であってもよい。この場合、読み出しに要する時間が短縮され得る。
【００１５】
本発明のいくつかの実施形態によれば、第１の偽信号電荷の蓄積と第２の偽信号電荷の蓄積とが同一の保持部において行われる。そのため、特許文献２のように第１の偽信号電荷の蓄積と第２の偽信号電荷の蓄積とが異なる素子で行われる場合と比べて、偽信号の補正用の信号をより高精度に取得することが可能となる。したがって、これを用いて補正を行うことにより偽信号電荷に起因する画質劣化がより軽減される。よって、本発明のいくつかの実施形態に係る撮像装置は、グローバル電子シャッタ動作を実現しつつ高画質な画像を得ることができる。
【００１６】
第１実施形態においては、第１及び第２の読み出し期間は同じ長さであり得るが、他のいくつかの実施形態では、第１の偽信号電荷を出力する第２の読み出し期間を第１の読み出し期間よりも短縮し得る。実信号電荷に対して偽信号電荷の電荷量は小さい場合が多く、その場合には読み出しに要する時間を短縮し得るためである。よって、１フレームに要する時間を短くすることができるため、フレームレートを高くすることができる。また、フレームレートを一定とした場合には、消費電力の低減及びノイズの低減を図ることができる。
【００１７】
本発明の一実施形態に係る撮像装置は、実信号電荷及び第２の偽信号電荷を読み出す第１の読み出しと第１の偽信号電荷を読み出す第２の読み出しとを同一行について連続して行う。１行分の実信号電荷と偽信号電荷とを連続して取得することができるため、フレームごとの信号をフレームメモリなどの他の記憶部に保持しておく必要がなく、撮像システムの構成を簡略化することができる。
【００１８】
以下、本発明の実施形態について図面を参照しつつ説明する。本発明は、以下に説明される実施形態に限定されず、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て組み合わせてもよい。あるいは、いずれかの実施形態の一部の構成を、他の実施形態の一部の構成と置換してもよい。
【００１９】
（第１実施形態）
図１は、本実施形態に係る撮像装置の概略構成を表すブロック図である。撮像装置は、画素部１００、垂直走査回路１０１、列増幅回路１０２、水平走査回路１０３、出力回路１０４、制御回路１０５を備える。画素部１００は、複数の行及び複数の列をなすように配置された複数の画素１０を備える。垂直走査回路１０１は、画素１０に含まれる複数のトランジスタをオン（導通状態）又はオフ（非導通状態）に制御するための制御信号を供給する。画素１０の各列には列信号線５が設けられており、画素１０からの信号が列ごとに列信号線５に読み出される。列増幅回路１０２は、列信号線５に出力された画素信号を増幅し、画素１０のリセット時の信号及び光電変換時の信号に基づく相関二重サンプリング処理などの処理を行う。水平走査回路１０３は、列増幅回路１０２の増幅器に接続されたスイッチと、該スイッチをオン又はオフに制御するための制御信号を供給する。出力回路１０４は、バッファアンプ、差動増幅器などから構成され、列増幅回路１０２からの画素信号を撮像装置の外部の信号処理部に出力する。なお、撮像装置の内部の列増幅回路１０２は、偽信号成分の補正などの信号処理を行う信号処理回路の機能を含んでもよい。また、ＡＤ変換部を撮像装置に設け、デジタルの画素信号を出力しても良い。
【００２０】
図２は、本実施形態に係る撮像装置における画素１０の等価回路を示す。図２には、行方向及び列方向に２次元配列された複数の画素１０のうち、３行×３列の９個の画素１０が示されている。しかしながら、これは複数の画素１０の一部を示す例示であり、撮像装置はさらに多くの画素を有し得る。各画素１０は、光電変換部１、保持部２、浮遊拡散部３、第１の転送トランジスタＭ１、第２の転送トランジスタＭ２、増幅トランジスタＭ３、選択トランジスタＭ４、リセットトランジスタＭ５、オーバーフロートランジスタＭ６を備える。
【００２１】
光電変換部１は、入射光を光電変換するとともに、光電変換により生成された実信号電荷を蓄積する。第１の転送トランジスタＭ１（第１の転送スイッチ）は、オンとなることにより光電変換部１の実信号電荷を保持部２に転送する。保持部２は、光電変換部１から転送された実信号電荷を保持する。第２の転送トランジスタＭ２（第２の転送スイッチ）は、オンとなることにより保持部２の電荷を増幅トランジスタＭ３の浮遊拡散部３に転送する。増幅トランジスタＭ３のドレインは電源電圧線４に接続され、ソースは選択トランジスタＭ４を介して列信号線５に接続されている。列信号線５には定電流源１６が接続されている。出力信号Ｖｏｕｔは、各列の列信号線５を介して列増幅回路１０２に出力される。リセットトランジスタＭ５（リセットスイッチ）は、オンとなることにより浮遊拡散部３の電圧をリセットする。オーバーフロートランジスタＭ６のソースは光電変換部１に、ドレインは電源ノードに接続されており、ゲートには制御信号ＯＦＧが印加される。オーバーフロートランジスタＭ６（排出スイッチ）がオンとなることにより、光電変換部１の電荷を電源ノードなどのオーバーフロードレインに排出することができる。オーバーフロートランジスタＭ６をオンからオフへ制御することで、光電変換部１による電荷の蓄積が開始される。これにより、露光時間を自由に設定することが可能となる。
【００２２】
以下の説明において、浮遊拡散部３、増幅トランジスタＭ３、選択トランジスタＭ４、リセットトランジスタＭ５を併せて出力部と称することがある。また、浮遊拡散部３及び増幅トランジスタＭ３は、転送された電荷に基づく電圧を出力する増幅部として機能する。入射光により光電変換部１での光電変換で得られる信号電荷を実信号電荷と称する。これに対し、光電変換部１以外の部分、例えば保持部２で光電変換が起こることにより生じる信号電荷及び電荷のリークなどで生じる電荷を偽信号電荷と称し、上述の実信号電荷と区別して説明する。
【００２３】
なお、オーバーフロートランジスタＭ６を設けることは必須ではなく、オーバーフロートランジスタＭ６を省略してもよい。オーバーフロートランジスタＭ６を省略する場合、第１の転送トランジスタＭ１をオンからオフへ制御することで、光電変換部１による電荷の蓄積が開始され、露光時間を設定することが可能である。この構成では、露光時間を設定するための各トランジスタの動作方法に制約が生じるが、素子数が削減されるため、レイアウトの自由度が向上する。
【００２４】
また、別の変形例として、光電変換部からの電荷排出先を半導体基板とするバーティカルオーバーフローと呼ばれる構成を採用してもよい。この構成では、基板表面に配置される素子数が削減されるため、レイアウトの自由度が向上する。
【００２５】
同一行の画素１０に対しては共通の制御信号が垂直走査回路１０１から供給される。すなわち、第ｍ行に配置された複数の画素１０の各々に含まれる第１の転送トランジスタＭ１のゲートには、制御信号ＴＸ１（ｍ）が供給される。同様に、第ｍ行の第２の転送トランジスタＭ２のゲートには、制御信号ＴＸ２（ｍ）が供給される。第ｍ行の選択トランジスタＭ４のゲートには、制御信号ＳＥＬ（ｍ）が供給される。第ｍ行のリセットトランジスタＭ５のゲートには、制御信号ＲＥＳ（ｍ）が供給される。第ｍ行のオーバーフロートランジスタＭ６のゲートには、制御信号ＯＦＧ（ｍ）が供給される。なお、各制御信号のの添字ｍは行番号を示しており、以下の説明では特定の行に係る制御信号であることを明示する必要がある場合に添字を付す。
【００２６】
これらのトランジスタは、各制御信号がハイレベルのときにオンとなり、ローレベルのときにオフとなる。各行の制御信号を同時にオン又はオフに制御することにより、複数の画素１０における露光時間が同期間となるように制御することができる。このような構成により、保持部２が電荷を保持している間、光電変換部１は新たに生じた電荷を蓄積することができ、複数の画素における光電変換の期間を一致させるグローバル電子シャッタ動作を行うことができる。
【００２７】
なお、図２の回路では複数の画素１０の各々が増幅部を有しているが、複数の画素１０に１つの増幅部が共有されていてもよい。また、画素部１００には、図２に示す画素１０のような有効画素の他に、光電変換部１が遮光された遮光画素、光電変換部１を有さないダミー画素などのように画像を構成するための信号を出力しない画素も含まれ得る。
【００２８】
図３は、本実施形態に係る撮像装置における画素１０の断面構造を模式的に示す図である。
【００２９】
光電変換部１は、Ｐ型のウェル領域１４に配され、Ｎ型の半導体領域１１とＰ型の半導体領域１２を有している。半導体領域１１と半導体領域１２はＰＮ接合を形成し、埋め込み型のフォトダイオード構造を構成している。入射光はＰＮ接合において光電変換され、光電変換により生じた電荷がＮ型の半導体領域１１に蓄積される。このとき、Ｐ型の半導体領域１２によってＰＮ接合界面が基板内に埋め込まれているため、ノイズが抑制される。
【００３０】
光電変換部１の下面には、Ｎ型の半導体領域１３が配される。半導体領域１３の不純物濃度は、同じＮ型の半導体領域１１の不純物濃度より低い。これにより、半導体基板内の深い位置で生じた電荷は半導体領域１３に捉えられるため、ノイズが抑制される。半導体領域１３はＰ型であってもよい。さらに、半導体領域１３の下面には、電荷に対するポテンシャルバリアとなるＰ型の半導体領域１５が配される。
【００３１】
保持部２は、Ｐ型のウェル領域１４に配されたＮ型の半導体領域２１を有する。光電変換部１から転送された電荷は半導体領域２１に保持される。本実施形態では、半導体領域２１の不純物濃度は同じＮ型の半導体領域１１の不純物濃度よりも高い。
【００３２】
ゲート電極４０は、半導体領域１２と半導体領域２１の間のウェル領域１４の上側にゲート絶縁膜を介して配され、第１の転送トランジスタＭ１のゲートを構成する。第１の転送トランジスタＭ１は、ゲート電極４０の電圧が正である場合にオン状態となり、光電変換部１に蓄積された電荷を保持部２へ転送する。一方、ゲート電極４０の電圧が負である場合には、第１の転送トランジスタＭ１はオフとなる。ゲート電極５０は、半導体領域２１と浮遊拡散部３との間のウェル領域１４の上側にゲート絶縁膜を介して配され、第２の転送トランジスタＭ２のゲートを構成する。ゲート電極４０に負の電圧を与えることにより、Ｎ型の半導体領域２１の表面にホールを誘起させることができる。これにより、界面で発生するノイズを抑制することができる。
【００３３】
ここで、第１の転送トランジスタＭ１がオンである場合、半導体領域２１から電荷がリークすることによって微小なノイズが生じ得る。一方、第１の転送トランジスタＭ１がオフである場合には、半導体領域２１の表面にホールが誘起されるので、このようなノイズは抑制される。したがって、第１の転送トランジスタＭ１は、オンの期間がなるべく短くなるように制御されることが好ましい。
【００３４】
遮光部２０３は、例えばタングステン、アルミニウム等のように可視光を通し難い金属で形成され、保持部２を含む半導体領域を遮光する。遮光部２０３は、光電変換部１の上に開口部２０４を有している。開口部２０４の上には、可視光のうち特定の波長域を通過させるカラーフィルタ１０ａと、入射光を集光するマイクロレンズ１０ｂとが配される。
【００３５】
なお、リセットトランジスタＭ５、オーバーフロートランジスタＭ６等は図示されていないが、光電変換部１等と同一基板上に配され得る。例えば、リセットトランジスタＭ５、オーバーフロートランジスタＭ６等は、図３の奥行き方向等に配され得る。また、図３は画素１０の構造の一例として、表面照射型の画素１０を示しているが、画素１０は裏面照射型であってもよい。また、保持部２はＰ型のウェル領域１４上に形成されているが、保持部２はＮ型のウェル領域上に形成されてもよい。この場合、Ｎ型とＰ型は逆となり、保持部２には、電子の代わりにホールが保持される。また、画素１０に供給される制御信号のハイレベルとローレベルが逆になる。
【００３６】
図４は、本実施形態に係る撮像装置の動作を模式的に示す図であり、第ｎフレームから第ｎ＋２フレームまでの撮像動作を示している。
【００３７】
図４には、フレーム期間、光電変換部１の実信号蓄積期間、制御信号ＴＸ２による読み出し動作、第１の読み出し期間、第２の読み出し期間が示されている。図中の「フレーム期間」は、動画を構成する各フレームの画像を取得する期間である。図中の「光電変換部の実信号蓄積期間」は、光電変換部１が入射光に基づく電荷を生成し蓄積している期間を示している。図中の「ＴＸ２読み出し動作」は、垂直走査回路１０１からの制御信号ＴＸ２（ｍ）が１行目から順次ハイレベルになる期間、すなわち、第２の転送トランジスタがオンになる期間を示している。図中の「第１の読み出し期間」、及び「第２の読み出し期間」は、垂直走査回路１０１からの走査により、順次画素の読み出し動作が行われる期間を示している。ここで、読み出し動作とは、第２の転送トランジスタＭ２による電荷の転送と、増幅トランジスタＭ３による信号の出力とを含む動作である。
【００３８】
時刻Ｔ１において、保持部２には、第ｎ−１フレームの光電変換部１の蓄積期間に蓄積された実信号電荷と、各行の第２の読み出し期間以後の第２の偽信号蓄積期間に生じた第ｎ−１フレームの偽信号電荷とが保持されている。時刻Ｔ１以降、垂直走査回路１０１は各行を順次走査する。列増幅回路１０２は、垂直走査回路１０１の走査に応じて、保持部２に保持された実信号電荷と第２の偽信号電荷とに基づく画素信号を出力する。各行の保持部２からの画素信号の出力が終了すると、第１の偽信号蓄積期間が順次開始される。
【００３９】
時刻Ｔ１から第１の読み出し期間だけ経過した時刻、すなわち時刻Ｔ２において、第ｎ−１フレームの画素信号の読み出しが完了する。その後、時刻Ｔ３から時刻Ｔ４までの第２の読み出し期間において、垂直走査回路１０１は、再度各行を順次走査する。列増幅回路１０２は、垂直走査回路１０１の走査に応じて、保持部２に保持された、第１の偽信号蓄積期間に蓄積された第１の偽信号電荷に基づく画素信号を順次出力する。各行の保持部２が出力を終了すると、第２の偽信号蓄積期間が順次開始される。
【００４０】
これらの動作と並行して、時刻Ｔ０において、光電変換部１は、第ｎフレームの実信号蓄積期間（ｎ，１）における電荷蓄積を開始する。すなわち、第１の読み出しと第２の読み出しは光電変換部１における電荷の蓄積と並行して行われる。なお、被写体の輝度などの撮影条件に応じて露光時間を変化させてもよく。この場合、第１の読み出しと第２の読み出しの両方が光電変換部１における電荷の蓄積と並行していることは必須ではない。すなわち、いずれか一方のみが電荷の蓄積と並行して行われてもよく、第１の読み出しと第２の読み出しが終了した後で光電変換部１における電荷の蓄積が開始されてもよい。
【００４１】
その後、時刻Ｔ５の直前に第１の転送トランジスタＭ１がオンとなり、時刻Ｔ５において第１の転送トランジスタＭ１がオフとなる。これにより、光電変換部１に蓄積された電荷が保持部２に転送され、第ｎフレームの実信号蓄積期間（ｎ，１）が終了する。このとき、保持部２には、実信号蓄積期間に蓄積された第ｎフレームの実信号電荷と、各行の第２の偽信号蓄積期間に生じた第ｎフレームの偽信号電荷とに基づく電荷が保持されている。すなわち、時刻Ｔ５は時刻Ｔ１の１フレーム期間経過後に対応する時刻である。以降、同様に、第ｎ＋１フレーム、第ｎ＋２フレーム、…の撮像動作が繰り返し実行される。
【００４２】
図４に示されるように、本実施形態の読み出し方法では、光電変換部１における電荷の蓄積と保持部２からの電荷の読み出しを並行して行うことができる。そのため、１フレームの露光期間が終了した後、短時間で次のフレームの露光期間を開始することができる。したがって、露光がなされない期間、すなわち画像情報が欠落する期間を少なくすることができるため、画質を向上させたグローバル電子シャッタ動作が可能となる。
【００４３】
なお、図４においては、第１行から順に読み出しが行われているが、読み出しの順序はこれに限定されない。第１及び第２の読み出し期間の各々において、各画素に対して少なくとも１回の読み出しが行われればよく、読み出しの順序を問わない。
【００４４】
図５は、本実施形態に係る撮像装置のタイミングチャートであって、第ｍ−１〜第ｍ＋１行の制御信号ＯＦＧ、ＴＸ１、ＴＸ２を示している。上述したように、制御信号ＯＦＧはオーバーフロートランジスタＭ６のゲートに印加される信号である。制御信号ＴＸ１は第１の転送トランジスタＭ１のゲートに印加される信号である。制御信号ＴＸ２は第２の転送トランジスタＭ２のゲートに印加される信号である。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。なお、図５には、第ｍ−１〜第ｍ＋１行の制御信号のみが示されているが、その他の行についても、順次、同様に駆動される。
【００４５】
ここで、図中の実信号保持期間、第１の偽信号蓄積期間、第２の偽信号蓄積期間には２つの添字が付されている。１つ目の添字は、当該信号に対応するフレームの番号を示す。２つ目の添字は、行番号を示す。例えば、実信号保持期間（ｎ，ｍ）は、ｍ行目の画素１０に対するｎフレーム目の信号が保持部２に保持されている期間を示している。上述のように、ｎフレーム目の信号の読み出しはｎ＋１フレーム目の露光と並行して行われるので、実信号保持期間（ｎ，ｍ）は、ｎ＋１フレーム期間と少なくとも一部が重複している。
【００４６】
時刻Ｔ１よりも前の時刻において、各行の制御信号ＴＸ１がハイレベルになり、複数の画素１０の各々に含まれる第１の転送トランジスタＭ１が同時にオンとなる。この動作により、第ｎ−１フレームに蓄積された電荷が実信号電荷として光電変換部１から保持部２へ転送される。
【００４７】
時刻Ｔ１において、各行の制御信号ＴＸ１がローレベルになり、各画素の第１の転送トランジスタＭ１がオフになる。さらに、各行の制御信号ＯＦＧがハイレベルになり、各オーバーフロートランジスタＭ６がオンとなる。この動作により、光電変換部１に蓄積された電荷が排出される。その後、時刻Ｔ０までの期間、オーバーフロートランジスタＭ６はオンの状態を維持し、光電変換部１で生成される電荷は排出され続ける。時刻Ｔ０において、各行の制御信号ＯＦＧがローレベルになり、オーバーフロートランジスタＭ６がオフとなる。この時刻から、１フレームの露光期間が開始する。各画素１０の光電変換部１は電荷の蓄積を開始する。この時刻Ｔ０から実信号蓄積期間（ｎ）が開始する。したがって、オーバーフロートランジスタＭ６をオンからオフにするタイミングを制御することで、露光開始の時刻Ｔ０を自由に設定することができる。なお、オーバーフロートランジスタＭ６がオンからオフにするタイミングは各画素の第１の転送トランジスタＭ１がオフになるタイミングよりも前であってもよい。この場合、１フレームの露光期間が開始する時刻は第１の転送トランジスタＭ１がオフになる時刻である。
【００４８】
時刻Ｔ０からＴ２までの期間、すなわち第１の読み出し期間において、制御信号ＴＸ２（１）、…、ＴＸ２（ｍ−１）、ＴＸ２（ｍ）、ＴＸ２（ｍ＋１）、…が順次ハイレベルになり、第２の転送トランジスタＭ２が順次オンになる。この動作により、保持部２の第ｎ−１フレームの電荷が順次浮遊拡散部３に転送され、読み出される。なお、図５では、例えば、ｍ行目の第２の転送トランジスタＭ２がオンになる時刻をＴ２（ｍ）のように行番号を添字で表記している。制御信号ＯＦＧは、１フレームの露光期間の開始時刻Ｔ０から、次フレーム期間の開始時刻Ｔ５までローレベルに維持される。すなわち、オーバーフロートランジスタＭ６は、時刻Ｔ０から時刻Ｔ５までの期間、オフ状態に維持される。オーバーフロートランジスタＭ６がオフ状態に維持される期間は第ｎフレームの露光期間に相当する。この露光期間中は、光電変換部１に電荷が蓄積され続ける。
【００４９】
時刻Ｔ２において、画素信号の読み出しのための第１の読み出し期間が終了する。その後時刻Ｔ３から時刻Ｔ４までの期間（第２の読み出し期間）において、垂直走査回路１０１は、再度各行を順次走査する。具体的には、上述の第１の読み出し期間と同様に、制御信号ＴＸ２（１）、…、ＴＸ２（ｍ−１）、ＴＸ２（ｍ）、ＴＸ２（ｍ＋１）、…が順次ハイレベルになり、第２の転送トランジスタＭ２が順次、オンになる。この動作により、第１の偽信号蓄積期間に蓄積された偽信号電荷が保持部２から浮遊拡散部３に転送される。列増幅回路１０２は、垂直走査回路１０１の走査に応じて、保持部２に保持された、第１の偽信号蓄積期間に蓄積された偽信号電荷に基づく画素信号を順次出力する。各行の保持部２が出力を終了すると、第２の偽信号蓄積期間が順次開始される。
【００５０】
その後、時刻Ｔ５の直前に第１の転送トランジスタＭ１がオンとなり、時刻Ｔ５において第１の転送トランジスタＭ１がオフとなる。これにより、光電変換部１に蓄積された電荷が保持部２に転送され、第ｎフレームの実信号蓄積期間（ｎ，１）が終了する。このとき、保持部２には、実信号蓄積期間に蓄積された第ｎフレームの実信号電荷と、各行の第２の偽信号蓄積期間に生じた第ｎフレームの第２の偽信号電荷とに基づく電荷が保持されている。この電荷は第ｎ＋１フレーム目の露光と並行して、時刻Ｔ０からＴ２までの期間に読み出される。
【００５１】
第ｎ＋１以降の各フレームについて、上述の処理が繰り返される。第１及び第２の偽信号蓄積期間の長さは、ほぼ等しく設定される。言い換えると、第１及び第２の偽信号蓄積期間の長さは、１フレームの期間の約１／２である。このように設定した場合、保持部２から浮遊拡散部３への電荷の転送間隔はほぼ一定となる。
【００５２】
なお、第１及び第２の偽信号蓄積期間とは、より正確には以下のように定義される。第１の偽信号蓄積期間は、第１の信号読み出し期間中において第２の転送トランジスタＭ２がオンからオフになる時刻ＴＡ１（ｍ）から、第２の信号読み出し期間中において第２の転送トランジスタＭ２がオンからオフになる時刻ＴＡ２（ｍ）までである。第２の偽信号蓄積期間は、上述の時刻ＴＡ２（ｍ）から、次のフレームの第１の信号読み出し期間中において第２の転送トランジスタＭ２がオンからオフになる時刻ＴＡ３（ｍ）までである。時刻ＴＡ３（ｍ）は時刻ＴＡ１（ｍ）から１フレーム期間経過後の時刻となる。
【００５３】
図６は、本実施形態に係る制御信号のタイミングチャートであって、画素信号の読み出しの動作を表している。図６には、選択トランジスタＭ４に供給される制御信号ＳＥＬ、リセットトランジスタＭ５に供給される制御信号ＲＥＳ、第２の転送トランジスタＭ２に供給される制御信号ＴＸ２が示されている。第２の転送トランジスタＭ２、選択トランジスタＭ４、リセットトランジスタＭ５は、それぞれに対応する制御信号がハイレベルのときにオンになり、ローレベルのときにオフになる。
【００５４】
以下、図１及び図６を参照しながら、画素信号の読み出しの動作を説明する。まず、垂直走査回路１０１は、制御信号ＳＥＬをハイレベルとすることで、選択トランジスタＭ４をオンとし、信号を読み出す画素１０を選択する。次に、垂直走査回路１０１は、制御信号ＲＥＳをハイレベルとし、リセットトランジスタＭ５をオンにする。リセットトランジスタＭ５がオンとなることで、浮遊拡散部３の電圧が電源電圧にリセットされる。リセットトランジスタＭ５がオフとなった後、列増幅回路１０２は、列信号線５から、リセット時の画素信号の読み出し（Ｎ読み）を行う。垂直走査回路１０１は、制御信号ＴＸ２をハイレベルとすることで、第２の転送トランジスタＭ２をオンとし、保持部２の電荷を浮遊拡散部３へ転送する。列増幅回路１０２は、列信号線５から実信号電荷と偽信号電荷の画素信号の読み出し（Ｓ読み）を行う。このようにして読み出された画素信号は、列増幅回路１０２あるいは出力回路１０４において相関二重サンプリング処理され、出力回路１０４から出力される。なお、画素信号をＡＤ変換した後に相関二重サンプリング処理を行ってもよい。
【００５５】
本実施形態の撮像装置は、第１の読み出し期間と第２の読み出し期間とがほぼ等しく、２つの読み出し期間の合計が１フレームの期間とほぼ等しい。したがって、例えば毎秒６０フレームの動画を撮影する場合、第１及び第２の読み出し期間は、いずれも約１／１２０秒となる。第１の読み出し期間と第２の読み出し期間とをほぼ等しい長さにすることは必須ではなく、例えば第２の読み出し期間の長さが１フレーム期間の長さの１／２よりも小さくてもよい。
【００５６】
なお、本実施形態の撮像装置は、グローバル電子シャッタの動作モードに加えてローリングシャッタの動作モードを有していてもよい。ローリングシャッタは、画素１０の光電変換部１による電荷の蓄積を、行ごとあるいは複数行ごとに順次開始する動作モードである。この動作モードでは、画素の第１の転送トランジスタＭ１も、行ごとあるいは複数行ごとに順次、オンに制御される。また、撮像装置は、他の方式のグローバル電子シャッタの動作モードを併せて有していてもよい。例えば、他の方式のグローバル電子シャッタは、光電変換部１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モードであってもよい。
【００５７】
以上のように、本実施形態によれば、第１の読み出し期間において、実信号電荷及び第２の偽信号電荷に基づく信号が読み出され、第２の読み出し期間において、第１の偽信号電荷に基づく信号が読み出される。第１の偽信号電荷と第２の偽信号電荷はいずれも同一の保持部２において生じた偽信号に基づくものである。そのため、これらの電荷を異なる素子で得た場合と比べて、第２の読み出し期間において読み出された信号は、補正用の信号としての精度が高い。よって、本実施形態の撮像装置は、第２の読み出し期間において、補正用の信号をより高精度に取得し得る。
【００５８】
第２の読み出し期間において読み出された信号を用いて、第１の読み出し期間において読み出された信号を補正する処理を行うことにより、偽信号電荷の影響を補正するための処理を高精度に行うことができ、偽信号に起因する画質劣化を軽減することができる。以下、この補正方法の一例を説明する。なお、当該補正方法は、撮像装置が搭載される撮像システム内の信号処理部において行ってもよく、撮像装置内の列増幅回路１０２において行ってもよい。また、この補正方法はＡＤ変換後のデジタル信号に対するデジタル信号処理により行ってもよく、ＡＤ変換前のアナログ信号に対し演算増幅器等を用いて行ってもよい。
【００５９】
実信号電荷に基づく信号のレベルをＶｒ、第１の偽信号電荷に基づく信号のレベルをＶｆ１、第２の偽信号電荷に基づく信号のレベルをＶｆ２とする。このとき、第１の読み出し期間に読み出される信号は（Ｖｒ＋Ｖｆ２）であり、第２の読み出し期間に読み出される信号はＶｆ１である。ここで、Ｖｆ１とＶｆ２はいずれも同一の保持部２において生じた偽信号に基づくものである。また、本実施形態では、第１の読み出し期間と第２の読み出し期間がほぼ同一に設定されているため、第１の偽信号蓄積期間の長さと第２の偽信号蓄積期間の長さがほぼ同一である。したがって、Ｖｆ１はＶｆ２とほぼ同一となる。したがって、以下の式（１）が成り立つ。
（Ｖｒ＋Ｖｆ２）−Ｖｆ１≒Ｖｒ      （１）
【００６０】
式（１）より、第１の読み出し期間に読み出される信号（Ｖｒ＋Ｖｆ２）から第２の読み出し期間に読み出される信号Ｖｆ１を減算することにより偽信号の補正が可能である。これにより、第１の偽信号電荷と第２の偽信号電荷がキャンセルされ、実信号電荷に基づく信号Ｖｒが得られる。減算に用いる信号Ｖｆ１は、同一フレームのＶｆ１を用いるだけでなく、時間の連続性が確保される限りにおいては、異なるフレームのＶｆ１を用いてもよい。例えば、図５における第１の偽信号蓄積期間（ｎ−１）で取得したＶｆ１は、ｎ−１フレームで取得したＶｒ＋Ｖｆ２の減算に用いてもよいし、ｎフレームで取得したＶｒ＋Ｖｆ２の減算に用いてもよい。
【００６１】
特許文献２の構成においては、補正に用いる信号と実信号に混入する偽信号とが異なる素子で生じた電荷に基づくものとなっている。そのため、上述と同様に減算による補正を行ったとしても、補正に用いる信号と偽信号との値が一致せず、十分な精度が得られない場合がある。これに対し、本実施形態では、Ｖｆ１とＶｆ２はいずれも保持部２において生じた偽信号に基づくものであり、より高精度な補正を行い得る。したがって、本実施形態によれば、偽信号による画質劣化がより軽減された画像を取得可能な撮像装置あるいは撮像システムが提供され得る。
【００６２】
なお、上述の補正の処理は、図６に示すＳ読みで得られた信号に対して行ってもよく、相関二重サンプリング処理後の信号に対して行ってもよい。
【００６３】
（第２実施形態）
第２実施形態に係る撮像装置について説明する。第１実施形態では、第２の読み出し期間は第１の読み出し期間とほぼ等しい長さであるが、第２実施形態では、第２の読み出し期間が第１の読み出し期間よりも短い。言い換えると、第２の読み出し期間の長さが１フレーム期間の長さの１／２よりも小さい。以下、第１実施形態と異なる構成を中心に説明するものとし、第１実施形態と同様の構成については省略あるいは簡略化して説明する。
【００６４】
図７は、本実施形態に係る撮像装置の動作を模式的に示す図であり、図８は、本実施形態に係る撮像装置のタイミングチャートである。
【００６５】
第１実施形態の図４、図５の動作と比較して、本実施形態の図７、図８の動作では、時刻Ｔ３から時刻Ｔ４までの期間、すなわち第２の読み出し期間の長さが短くなっている。その理由は、第２の読み出し期間で出力される信号は、実信号電荷を含まず、第１の偽信号電荷のみに基づくので、第１の読み出し期間で出力される実信号電荷と第２の偽信号電荷の合計に基づく信号に比べて信号のレベルが低いためである。これにより、第１実施形態の図６に示されるＳ読みの期間を短くすることができるので、第２の読み出し期間を短縮することができる。
【００６６】
ここで、本実施形態においては、第１の読み出し期間と第２の読み出し期間の長さが異なることにより、２回の偽信号蓄積期間の長さが行ごとに変化する。例えば、図７の１行目では第１の偽信号蓄積期間が第２の偽信号蓄積期間よりも長いが、最終行では第２の偽信号蓄積期間が第１の偽信号蓄積期間よりも長い。このため、偽信号成分を補正する際に蓄積時間の比率に応じた調整を行う必要がある。
【００６７】
本実施形態の構成に対応した補正方法について第１実施形態と異なる点を説明する。第１の偽信号蓄積期間の長さをＴｆ１、第２の偽信号蓄積期間の長さをＴｆ２とする。ここで、時間比率ｋをｋ＝Ｔｆ２／Ｔｆ１とする。保持部２に生じる偽信号電荷の量は蓄積時間にほぼ比例すると考えられるので、偽信号電荷の比Ｖｆ２／Ｖｆ１は時間比率ｋとほぼ同一の値である。したがって、以下の式（２）が成り立つ。
（Ｖｒ＋Ｖｆ２）−ｋ×Ｖｆ１≒Ｖｒ      （２）
【００６８】
式（２）より、第１の読み出し期間に読み出される信号（Ｖｒ＋Ｖｆ２）から第２の読み出し期間に読み出される信号Ｖｆ１に時間比率ｋを乗じたものを減算することにより偽信号の補正が可能である。これにより、第１の偽信号電荷と第２の偽信号電荷がキャンセルされ、実信号電荷に基づく信号Ｖｒが得られる。
【００６９】
本実施形態によれば、第１実施形態と同様の効果が得られることに加え、第２の読み出し期間の長さを１フレーム期間の長さの１／２よりも小さく設定したので、第２の読み出し期間を短縮することができる。例えば、第２の読み出し期間の長さを第１実施形態の場合の半分の約１／２４０秒とし、フレームレートが第１実施形態と同様の毎秒６０フレームとする。この場合、第１の読み出し期間を約１／８０秒に延長することができる。これにより、読み出し回路の消費電力を低減すること、あるいは電位が静定するまでの期間をより長くすることができ、低ノイズ化を図ることができる。あるいは、第１の読み出し期間を約１／１２０秒のままとした場合は、フレームレートを毎秒８０フレームまで高速化することが可能である。なお、第１の実施形態では、第２の読み出し期間の長さを１フレーム期間の長さの１／２とした場合を開示している。第１の実施形態と第２の実施形態の両方の条件を含む形で言い換えると、第２の読み出し期間の長さを１フレーム期間の長さの１／２以下として、第２の偽信号蓄積期間の長さを１フレーム期間の長さの１／２以下とすることが好ましいといえる。
【００７０】
（第３実施形態）
第３実施形態に係る撮像装置について説明する。第３実施形態では、第１の読み出し期間と第２の読み出し期間との間、及び第２の読み出し期間と次フレームの第１の読み出し期間との間に、それぞれ保持部２をリセットするための信号が印加されている点が第１実施形態と異なる。以下、第１実施形態と異なる構成を中心に説明するものとし、第１実施形態と同様の構成については省略あるいは簡略化して説明する。
【００７１】
図９は、本実施形態に係る撮像装置の動作を模式的に示す図であり、図１０は、本実施形態に係る撮像装置のタイミングチャートである。
【００７２】
第１実施形態の図４、図５の動作と比較して、本実施形態の図９、図１０の動作では、時刻Ｔ２と時刻Ｔ３の間、時刻Ｔ４と時刻Ｔ５との間の期間に、それぞれ保持部２をリセットするための制御信号ＲＥＳ、ＴＸ２が全行の画素１０に印加される点が異なる。この動作により、リセットトランジスタＭ５、第２の転送トランジスタＭ２がともにオンになり、保持部２に蓄積された偽信号電荷がリセットされる。このような動作を追加することにより、第１の偽信号蓄積期間及び第２の偽信号蓄積期間に蓄積される電荷をより少なくすることが可能となる。偽信号の蓄積量が少なくなるので、ノイズが少なくなり、より高精度な撮像が可能となる。
【００７３】
また、例えば、高速に移動する被写体等を撮影する場合、第１の読み出し期間と第２の読み出し期間との間で入射光量が大きく異なることがある。このような場合、偽信号が大きく変化し、補正の精度が低下することがある。本実施形態の構成では、偽信号電荷をリセットすることにより、このような補正の精度低下を軽減することができる。
【００７４】
ここで、本実施形態においては、第１及び第２の偽信号蓄積期間の長さが行ごとに変化する。例えば、図９の１行目の第１及び第２の偽信号蓄積期間に比べると、最終行の第１及び第２の偽信号蓄積期間の方が長い。しかしながら、本実施形態では、各行に対して、第１の偽信号蓄積期間の長さと第２の偽信号蓄積期間の長さとが互いに同一であるため、第１実施形態と同様の手法により偽信号の補正を行うことができる。なお、本実施形態は第２実施形態のように第１の偽信号蓄積期間の長さと第２の偽信号蓄積期間の長さとが互いに異なるように変形してもよい。この場合、第２実施形態と同様の手法により偽信号の補正を行うことができる。
【００７５】
本実施形態によれば、第１実施形態と同様の効果が得られることに加え、リセットにより偽信号の蓄積量を少なくすることで、補正の精度をより向上することができる。
【００７６】
（第４実施形態）
第４実施形態に係る撮像装置について説明する。第４実施形態では、第２の読み出し期間と次フレームの第１の読み出し期間との間に、光電変換部の第２の蓄積期間が設けてられている点が第１実施形態と異なる。以下、第１実施形態と異なる構成を中心に説明するものとし、第１実施形態と同様の構成については省略あるいは簡略化して説明する。
【００７７】
図１１は、本実施形態に係る撮像装置の動作を模式的に示す図であり、図１２は、本実施形態に係る撮像装置のタイミングチャートである。
【００７８】
第１実施形態の図４、図５の動作と比較して、本実施形態の図１１、図１２の動作では、時刻Ｔ４と時刻Ｔ５との間の期間に、光電変換部１の第２の蓄積期間が設けられている。時刻Ｔ４と時刻Ｔ５との間の期間において、保持部２には第２の偽信号電荷が蓄積される。この期間において、図１２に示されるように、各行の制御信号ＴＸ１がローレベルからハイレベルになり、その後時刻Ｔ６に再びローレベルになる。これにより、第１の転送トランジスタＭ１がオフからオンになり、再びオンからオフになる。すなわち、１フレーム期間内に光電変換部１から保持部２への実信号電荷の転送が、時刻Ｔ６付近と時刻Ｔ５付近に合わせて２回行われる。このように時刻Ｔ５付近の転送も含めて２回の転送を行うことにより、光電変換部１の飽和電荷量の２倍まで実信号電荷をオーバーフローさせずに読み出すことができ、ダイナミックレンジを拡大することができる。なお、光電変換部１から保持部２への実信号電荷の転送は３回以上であってもよい。すなわち、複数回であればその回数は任意に設定可能である。しかしながら、転送回数を多くするほど１フレームの時間が長くなるため、フレームレートとのトレードオフを考慮して最適な転送回数を設定することが好ましい。
【００７９】
ここで、本実施形態においては、第１の偽信号蓄積期間の長さと第２の偽信号蓄積期間の長さが異なる。図１１に示されるように、第２の偽信号蓄積期間は、第１の偽信号蓄積期間よりの約３倍の長さである。この場合、時間比率ｋを約３に設定することで、第２実施形態と同様の手法により偽信号の補正を行うことができる。
【００８０】
本実施形態によれば、本実施形態によれば、第１実施形態と同様の効果が得られることに加え、光電変換部１から保持部２への実信号電荷の転送回数を複数回とすることにより、ダイナミックレンジを拡大することができる。
【００８１】
（第５実施形態）
第５実施形態に係る撮像装置について説明する。第１実施形態では、第１の読み出し期間と第２の読み出し期間とが、それぞれ別の期間に設定されている。これに対して、本実施形態では各行の読み出し期間において、第１の読み出しの直後に第２の読み出しが行われる点が第１実施形態と異なる。以下、第１実施形態と異なる構成を中心に説明するものとし、第１実施形態と同様の構成については省略あるいは簡略化して説明する。
【００８２】
図１３は、本実施形態に係る撮像装置の動作を模式的に示す図であり、図１４は、本実施形態に係る撮像装置のタイミングチャートである。
【００８３】
第１実施形態の図４、図５では第１の読み出し期間と第２の読み出し期間とが、それぞれ別の期間に設定されている。これに対し、本実施形態の図１３、図１４では、各行の読み出し期間において、第１の読み出し期間の直後に第２の読み出し期間が配されている。本構成により、本実施形態の撮像装置は、第１の読み出しで読み出される信号（Ｖｒ＋Ｖｆ２）と、第２の読み出しで読み出される信号Ｖｆ１とを連続して取得することができる。第１実施形態のように、第１の読み出し期間と第２の読み出し期間が別の期間に設定されている構成では、フレームごとの信号をフレームメモリなどのメモリに一時的に保持しておく必要がある。本実施形態では、１行の読み出しにおいて、その間に他の行の転送を行うことなく連続して信号を取得可能なため、出力列ごとに一つのメモリを有していれば、補正のための演算を行うことが可能であり、撮像システムの構成を簡略化することができる。
【００８４】
ここで、本実施形態においては、第２の偽信号蓄積期間が第１の偽信号蓄積期間よりも長くなる。そのため、時間比率ｋを蓄積時間の比率に基づいて設定することで、第２実施形態と同様の手法により偽信号の補正を行うことができる。
【００８５】
本実施形態によれば、本実施形態によれば、第１実施形態と同様の効果が得られることに加え、第１の読み出しと第２の読み出しが、その間に他の行の転送を行うことなく連続して行われることにより、撮像システムの構成を簡略化することができる。
【００８６】
（第６実施形態）
以下、第６実施形態に係る撮像システムについて、図１５を用いて説明する。本実施形態の撮像システムは、第１〜第５実施形態の撮像装置を備えるものであり、例えば、デジタルスチルカメラ、デジタルカムコーダ、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、撮像システムには、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含まれる。図１５には、撮像システムの一例としてデジタルスチルカメラのブロック図を示す。図１５に示す撮像システムは、レンズ保護バリア１００１、レンズ１００２、絞り１００３、撮像装置１００４、信号処理部１００７を備える。また、タイミング発生部１００８、制御部１００９、メモリ部１０１０、記録媒体Ｉ／Ｆ部１０１１、記録媒体１０１２、外部Ｉ／Ｆ部１０１３を備える。
【００８７】
レンズ保護バリア１００１は、レンズ１００２を保護する。レンズ１００２は、被写体の光学像を撮像装置１００４に結像させる。絞り１００３は、レンズ１００２を通った光量を可変する。撮像装置１００４は、第１〜第５実施形態で説明した撮像装置であって、レンズ１００２により結像された光学像を画像データに変換する。信号処理部１００７は、撮像装置１００４から出力された撮像データに対して、各種の補正やデータ圧縮を行う。タイミング発生部１００８は、撮像装置１００４及び信号処理部１００７に対して各種タイミング信号を出力する。制御部１００９は、デジタルスチルカメラ全体を制御する。メモリ部１０１０は、画像データを一時的に記憶する。記録媒体Ｉ／Ｆ部１０１１は、記録媒体１０１２の記録又は読み出しを行う。記録媒体１０１２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着脱可能な記録媒体である。外部Ｉ／Ｆ部１０１３は、外部コンピュータ等と通信する。
【００８８】
なお、タイミング信号は撮像システムの外部から供給されてもよく、本実施形態の撮像システムは、少なくとも撮像装置１００４と、撮像装置１００４から出力された撮像信号を処理する信号処理部１００７とを備えていればよい。ＡＤ変換部は、撮像装置１００４の半導体基板に設けられていてもよく、撮像装置１００４の半導体基板とは別の半導体基板に設けられていてもよい。また、撮像装置１００４と信号処理部１００７とは、同一の半導体基板に形成されていてもよい。なお、第１〜第５実施形態で述べた偽信号の補正の処理のための演算は、例えば、撮像システム内の信号処理部１００７内で行うことができる。
【００８９】
（その他の実施形態）
上述の実施形態は本発明の例示に過ぎず、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で変更実施が可能である。上述の実施形態においては、電子を生成する光電変換部１を用いたが、正孔を生成する光電変換部１を用いてもよい。この場合、画素１０を構成するトランジスタの導電型は、逆導電型になる。また、トランジスタのソースとドレインは、トランジスタの導電型等に応じて置換され得ることもある。
【００９０】
第４実施形態において、光電変換部１から保持部２への電荷の転送間隔はほぼ同一であるが、それぞれの転送間隔を異ならせてもよい。さらに、被写体が明るい場合にはより電荷転送の間隔を短くするなど、被写体の明るさに応じて電荷転送の間隔を動的に制御することも可能である。
【００９１】
第１〜第５実施形態において、第１の転送トランジスタＭ１は、画素信号の読み出しのための第１の期間の終了直後にオンになることで、光電変換部１から保持部２へ電荷を転送している。第１の転送トランジスタＭ１がオンになるタイミングは、読み出し期間の終了後であればよく、読み出し期間終了から所定時間経過後であってもよい。
【００９２】
また、１つの光電変換部１に対して、２つ以上の複数の保持部２を有していてもよい。
【００９３】
第１〜第５実施形態において、第２の読み出し期間に読み出される信号は偽信号の補正のために用いられている。しかしながら、第２の読み出し期間に読み出される信号の用途は偽信号の補正の用途に限定されるものではなく、偽信号の補正以外の用途に用いてもよい。以下、他の用途の一例として、第２の読み出し期間に読み出される信号をダイナミックレンジの拡大のための補正に用いる処理方法を説明する。なお、この処理は第１〜第６実施形態と同様に、撮像システム内の信号処理部１００７において行ってもよく、撮像装置内の列増幅回路１０２で行ってもよい。
【００９４】
画素１０の光電変換部１が蓄積可能な電荷量には上限がある。入射される光量が多い場合、上限を超えて蓄積された電荷は光電変換部１から溢れ出る。溢れ出た電荷の一部は、第１の転送トランジスタＭ１を超えて保持部２に移動する。このような場合、第１の読み出し期間及び第２の読み出し期間に読み出される信号には、光電変換部１から溢れ出た電荷が含まれることとなる。
【００９５】
溢れ出た電荷に基づく信号のうち、第１の読み出し期間に含まれる成分を第１の余剰信号Ｖｓ１とし、第２の読み出し期間に含まれる成分を第２の余剰信号Ｖｓ２とする。このとき、第１の読み出し期間に読み出される信号は、（Ｖｒ＋Ｖｓ１）と表される。また、第２の読み出し期間に読み出される信号は、Ｖｓ２である。なお、上述の偽信号は実信号及び余剰信号のレベルに比べて十分に小さい場合を想定して無視している。第１の余剰信号Ｖｓ１、第２の余剰信号Ｖｓ２は、上述のように入射光の輝度に応じたレベルとなるため、被写体のコントラストを反映したものとなる。したがって、第２の読み出し期間に読み出される信号をダイナミックレンジの拡大のための処理に用いることができる。
【００９６】
ダイナミックレンジ拡大の一例を説明する。第１の読み出し期間に読み出される信号（Ｖｒ＋Ｖｓ１）に第２の読み出し期間に読み出される第２の余剰信号Ｖｓ２を加算すると、（Ｖｒ＋Ｖｓ１＋Ｖｓ２）となる。Ｖｓ１＋Ｖｓ２は１フレームの露光期間に光電変換部１から溢れ出た電荷に対応するので、この処理により光電変換部１の電荷保持上限を超える信号を得ることができる。すなわち、第２の読み出し期間に読み出される信号を第１の読み出し期間に読み出される信号に加算することで、ダイナミックレンジを拡大することができる。
【符号の説明】
【００９７】
１    光電変換部
２    保持部
３    浮遊拡散部（増幅部）
Ｍ１  第１の転送トランジスタ（第１の転送スイッチ）
Ｍ２  第２の転送トランジスタ（第２の転送スイッチ）
Ｍ３  増幅トランジスタ（増幅部）
【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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