JP2017158178A

JP2017158178A - 撮像装置

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Publication number: JP2017158178A
Application number: JP2016254058A
Authority: JP
Inventors: 伸司阪口; Shinji Sakaguchi; 管野　透; Toru Kanno; 透管野
Original assignee: Ricoh Co Ltd
Current assignee: Ricoh Co Ltd
Priority date: 2016-03-01
Filing date: 2016-12-27
Publication date: 2017-09-07
Anticipated expiration: 2036-12-27
Also published as: JP6859701B2

Abstract

【課題】画素群毎に感度差を補正し、更に、撮像を行わない期間に発生する電荷の影響を低減させる。【解決手段】複数の撮像素子が配列された撮像装置であって、撮像素子は、光電変換により受光した光から電荷を生成する受光素子と、受光素子が生成した電荷を電圧に変換するフローティングディフュージョンと、受光素子からフローティングディフュージョンへ電荷を転送させる電荷転送スイッチと、フローティングディフュージョンの電圧をリセットするリセットスイッチと、フローティングディフュージョンの電圧を増幅するソースフォロワと、を有し、リセットスイッチは、一画像データ取得期間中にフローティングディフュージョンの電圧のリセットを所定の画素群毎に複数回行い、電荷転送スイッチは、一画像データ取得期間中に受光素子からフローティングディフュージョンへの電荷の転送を所定の画素群毎に複数回行う。【選択図】図２

Description

本発明は、撮像装置に関する。

ＣＭＯＳリニアイメージセンサなどの撮像装置は所定の期間毎に画像データの読み出しを行う。例えば、各画素のフォトダイオードに光電変換により電荷を蓄積し、その蓄積した電荷を所定のタイミングでフローティングディフュージョンに転送し、フローティングディフュージョンが保持する電荷を画像データとして読み取る。撮像装置における画素データの読み出し技術として例えば次のようなものが開示されている。

例えば特許文献１には、固体撮像素子の各画素の検出信号を全行同時にリセットしてから露光を開始し、露光時間の経過後にメカニカルシャッタを閉じ、その状態において固体撮像素子の各画素の検出信号を行毎に順次読み出す技術が開示されている。

また、特許文献２には、フローティングディフュージョンのリセットレベルを読み出す動作を行い、更に、フローティングディフュージョンに転送された電荷を信号レベルとして読み出す動作を行い、信号レベルとリセットレベルとの差分をとる技術が開示されている。

また、特許文献３には、フォトセンサーから電荷を転送する前にそれぞれの蓄積ノードがリセットされるように、複数の蓄積ノードのローリングシャッターリセットを実行する技術が開示されている。

また、特許文献４には、製品出荷前における電子シャッタのリニアリティ評価のための技術が開示されている。この技術では、行の整列順に、各行から整列順に露光時間を徐々に延ばした画素データを出力し、画素データの露光時間と画素データの出力レベルとの関係を示す特性からリニアリティ評価を実施する。

しかしながら、従来の技術では、画素群毎に個別に蓄積期間を設定し、その上で電荷の転送開始時点のフローティングディフュージョンの状態を一定に保つなどの対策はなされていなかった。フローティングディフュージョンの電荷がリセットされた状態ではない状態で電荷の転送を行うと、フローティングディフュージョンにおいて保持することができる総電荷量を上回り、フォトダイオードで発生した電荷を全転送することができない場合がある。この場合、フォトダイオードに電荷が残留し、その電荷が次の蓄積期間に得られた電荷量に加算されることになり、実際の被写体と撮像した画像データとにずれが生じるという問題が生じる。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、画素群毎に感度差を補正することができ、更に撮像を行わない期間に発生する電荷の影響を低減させることができる撮像装置を提供することを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、複数の撮像素子が配列された撮像装置であって、前記撮像素子は、光電変換により受光した光から電荷を生成する受光素子と、前記受光素子が生成した前記電荷を電圧に変換するフローティングディフュージョンと、前記受光素子から前記フローティングディフュージョンへ前記電荷を転送させる電荷転送スイッチと、前記フローティングディフュージョンの前記電圧をリセットするリセットスイッチと、前記フローティングディフュージョンの前記電圧を増幅するソースフォロワと、を有し、前記リセットスイッチは、一画像データ取得期間中に前記フローティングディフュージョンの前記電圧のリセットを所定の画素群毎に複数回行い、前記電荷転送スイッチは、前記一画像データ取得期間中に前記受光素子から前記フローティングディフュージョンへの前記電荷の転送を所定の画素群毎に複数回行うことを特徴とする。

本発明によれば、画素群毎に感度差を補正することができ、更に、撮像を行わない期間に発生する電荷の影響を低減させることができるという効果を奏する。

図１は、実施形態にかかる撮像装置の構成例を示す図である。図２は、撮像素子の構成例を示す図である。図３は、撮像装置の第１動作例を示すタイミングチャートである。図４は、撮像装置の第２動作例を示すタイミングチャートである。図５は、撮像装置の第３動作例を示すタイミングチャートである。図６は、撮像装置の第４動作例を示すタイミングチャートである。

以下に添付図面を参照して、撮像装置の実施形態を詳細に説明する。図１は、実施形態にかかる撮像装置１の構成例を示す図である。撮像装置１は、例えばＣＭＯＳ（Complementary MOS）カラーリニアセンサであり、撮像素子ブロック１０、ＡＤ（Analog to Digital）変換回路１２、水平読み出し回路１４、画像データ処理回路１６、及び制御回路１８を有する。なお、以下において、「撮像素子」は撮像装置１に構成されている単位画素の任意の一つを指すものとする。また、複数の撮像素子の集まり、つまり複数の単位画素の集まりを「画素群」と呼ぶこととする。

撮像素子ブロック１０は、複数の撮像素子２０が配置されているエリアである。図１には、撮像素子２０が３行に並べて配置されているものを一例として示している。撮像素子ブロック１０の１行目、２行目、３行目には、この順に、カラーフィルタ２ｒ，２ｇ，２ｂが各撮像素子２０の上方（図１の紙面手前側）に配置されている。つまり、撮像素子ブロック１０は、カラーフィルタ２ｒが配置された１行目の画素群と、カラーフィルタ２ｇが配置された２行目の画素群と、カラーフィルタ２ｂが配置された３行目の画素群とを有する。

各画素群は、それぞれの上方に対応付けて配置されているカラーフィルタ（カラーフィルタ２ｒ，２ｇ，２ｂの何れか）を介して光（それぞれ、Ｒ（赤色）、Ｇ（緑色）、Ｂ（青色）の光）を受光し、光電変換により発生した電荷を蓄積する。そして、各画素群は、それぞれの、蓄積期間内に発生した電荷に基づき、各撮像素子２０から画像データの各画素を構成する画素信号を出力する。なお、「蓄積期間」とは、後においても説明するが、画像データの各画素に対応する各撮像素子２０の、受光素子における電荷の蓄積期間のことを指す。

ＡＤ変換回路１２は、各撮像素子２０がそれぞれ出力する電圧（画素信号）を列単位でＡＤ変換するカラム構成となっており、変換したＲＧＢ各色のデジタル画素信号を水平読み出し回路１４に対して出力する。水平読み出し回路１４は、ＡＤ変換回路１２から入力されるＲＧＢ各色のデジタル画素信号をパラレルシリアル変換し、画像データ処理回路１６に対して出力する。画像データ処理回路１６は、水平読み出し回路１４から入力されるＲＧＢ各色のデジタル信号（つまり画像データ）に対して補正等を行い、外部に対して出力する。

制御回路（制御部の一例）１８は、撮像装置１を構成する各部を制御する。例えば、制御回路１８は、各撮像素子２０の各種スイッチＳＥＬ，ＴＸ，ＲＴ（図２参照）に制御信号Ｓを出力し、スイッチオンとスイッチオフとの切り替えを制御する。制御信号Ｓには、ＲＴ２０６を制御するＳＲＴ３１，３３，３５（図３参照）や、ＴＸ２０２を制御するＳＴＸ３２，３４，３６（図３参照）や、ＳＥＬ２１０を制御するＳＳＥＬ３０（図３参照）などの信号が含まれる。これら各スイッチや制御については後述する。

この他、制御回路１８は、ＡＤ変換回路１２、水平読み出し回路１４、画像データ処理回路１６などを制御する。なお、制御回路１８による制御対象は適宜決めても良い。

図２は、撮像素子２０の構成例を示す図である。撮像素子２０の一例として、フォトダイオード（ＰＤ）２００と、電荷転送スイッチ（ＴＸ）２０２と、フローティングディフュージョン（ＦＤ）２０４と、リセットスイッチ（ＲＴ）２０６と、ソースフォロワ回路（ＳＦ）２０８と、選択制御スイッチ（ＳＥＬ）２１０とを含む４トランジスタ構成のものを示している。ＰＤ２００は、「受光素子」の一例であり、入射した光を光電変換して電荷を生成し、光量に応じた電荷を蓄積する。例えば埋め込み型のフォトダイオードである。ＴＸ２０２と、ＲＴ２０６と、ＳＦ２０８と、ＳＥＬ２１０とが４つのトランジスタ（一例としてＭＯＳＦＥＴ（MOS Field Effect Transistor））の構成をとる。撮像素子２０内の接続関係を次に示す。

ＰＤ２００は、アノードが接地され、カソードがＴＸ２０２のドレインに接続される。ＴＸ２０２は、ドレインがＰＤ２００のカソードに接続され、ソースがＦＤ２０４に接続される。ＲＴ２０６は、ドレインが電圧ＶＤＤに接続され、ソースがＦＤ２０４に接続される。ＳＦ２０８は、ゲートがＦＤ２０４に接続され、ドレインが電圧ＶＤＤに接続され、ソースがＳＥＬ２１０のドレインに接続される。ＳＥＬ２１０は、ドレインがＳＦ２０８のソースに接続され、ソースから画素信号（電圧）をＡＤ変換回路１２（図１参照）側に出力する。

制御回路１８（図１参照）は、ＴＸ２０２のゲートや、ＲＴ２０６のゲートや、ＳＥＬ２１０のゲートに制御信号Ｓ（図１参照）としてパルス電圧を印加することにより撮像素子２０を動作させる。

撮像素子２０の基本的な動作を次に示す。先ず、ＰＤ２００が光電変換を行うことにより、入射される光の量に応じた電荷を生成して蓄積する。ＰＤ２００に蓄積された電荷は、ＴＸ２０２のスイッチオンにより、ＰＤ２００からＦＤ２０４へと転送される。ＦＤ２０４は、ＰＤ２００が生成した電荷を電圧に変換する。具体的に、ＦＤ２０４は、ＰＤ２００からＴＸ２０２を介して転送されてきた信号電荷を保持する。更に、ＦＤ２０４は、保持した信号電荷を電圧の信号レベルへ変換して出力し、その信号レベルをＳＦ２０８に印加する。

ＳＦ２０８は、ＳＥＬ２１０のスイッチオンにより、次のように動作する。ＳＦ２０８は、ＦＤ２０４の信号レベルの電圧を増幅し、画素信号（電圧）ＳＦＯとして出力する。ＦＤ２０４の信号レベルをＳＦＯへ出力した後に、ＦＤ２０４の信号レベルは、ＲＴ２０６のスイッチオンによりリセットされ、所定のレベルに初期化される。画素信号ＳＦＯは、ＡＤ変換回路１２や水平読み出し回路１４などを経て画像データとなる。

（第１動作例）
次に、撮像装置１の動作について詳述する。図３は、撮像装置１の第１動作例を示すタイミングチャートである。図３のＳＳＥＬ３０には、行１と行２と行３とを含む全ての行に共通の、ＳＥＬ２１０におけるスイッチオンとスイッチオフとのタイミングを示している。ＳＲＴ３１、３３、３５には、それぞれ、行１、行２、行３のＲＴ２０６におけるスイッチオンとスイッチオフとのタイミングを示している。ＳＴＸ３２、３４、３６には、それぞれ、行１、行２、行３のＴＸ２０２におけるスイッチオンとスイッチオフとのタイミングを示している。各タイミングは、ハイレベルがスイッチオン（以下、オンとも言う）を示し、ローレベルがスイッチオフ（以下、オフとも言う）を示す。

行１、行２、行３には、それぞれ、１つ前の画像データ取得期間（第ｎ−１回目の画像データ取得期間）の終わりから、続く第ｎ回目の画像データ取得期間までのものを示している。ここで、ｎは２以上の整数とする。

例えば行１において、ＳＲＴ３１の１つ目のパルスＰ１１は第ｎ−１回目の画像データ取得期間のＲＴ２０６のオンを示し、ＳＴＸ３２の１つ目のパルスＰ１０１は同じ第ｎ−１回目の画像データ取得期間のＴＸ２０２のオンを示す。ＳＲＴ３１の２つ目のパルスＰ１２は、第ｎ回目の画像データ取得期間のＲＴ２０６のオンを示し、ＳＴＸ３２の２つ目のパルスＰ１０２は同じｎ回目の画像データ取得期間のＴＸ２０２のオンを示す。このように、第１動作例では「一画像データ取得期間」にＲＴ２０６とＴＸ２０２とがそれぞれ１回だけオンになる。

撮像素子２０からの画素信号の読み出しの直後から同じ撮像素子２０からの次の画素信号の読み出しの直後までの間隔が「画像データ取得間隔」に当たり、本明細書において、この期間を「一画像データ取得期間」と呼ぶ。図３において、ＳＴＸ３２に示す１つ目のパルスＰ１０１の立下りと２つ目のパルスＰ１０２の立下りまでの期間が「一画像データ取得期間」の長さに相当する。

（蓄積期間）
ここで、蓄積期間について説明する。ＳＲＴ３１の１つ目のパルスＰ１１ではＦＤ２０４の信号レベルがリセットされる。続くＳＴＸ３２の１つ目のパルスＰ１０１ではＰＤ２００に蓄積されている電荷が全てＦＤ２０４に転送される。そして、ＳＳＥＬ３０の１つ目のパルスＰ１００１により、ＦＤ２０４に転送された電荷に基づく信号レベルがＳＦ２０８で増幅されて第ｎ−１回目の画素信号として出力される。図３において「画像データ」に示す第ｎ−１回目の画像データＧ（ｎ−１）は、第ｎ−１回目の各画素信号に基づいて構成された画像データの出力タイミングを示したものである。因みに、第ｎ回目の画像データＧ（ｎ）は、第ｎ回目の各画素信号に基づいて構成された画像データの出力タイミングを示している。

以上により、第ｎ回目の画像データ取得期間において、ＰＤ２００による電荷の蓄積期間は、ＳＴＸ３２の１つ目のパルスＰ１０１の立下りから開始され、２つ目のパルスＰ１０２の立下りで、１つ目のパルスＰ１０１の立下りから２つ目のパルスＰ１０２の立下りまでにＰＤ２００において蓄積された電荷がＦＤ２０４に全て転送されることをもって、終了する。つまり、１つ目のパルスＰ１０１の立下りから２つ目のパルスＰ１０２の立下りまでが第ｎ回目の画像データ取得期間におけるＰＤ２００での蓄積期間Ｔ１（第ｎ回目の蓄積期間）になる。なお、蓄積期間Ｔ１は、各画像データ取得期間において同じものとする。第１の動作例では蓄積期間Ｔ１を「一画像データ取得期間」全体に当てたものになっている。

更に、第１の動作例では、図３に示すように各行のスイッチオンとスイッチオフのタイミングを揃えている。このため、各行（従って全撮像素子２０）共に、同一の期間に電荷の蓄積が行われる。従って、全撮像素子２０において同一タイミングで受光された光の電荷が画素信号として出力され、それらの画像データの読み出しが可能になる。

（制御回路の動作）
図３に示す第１動作例において制御回路１８は次のように動作する。一例として行１の第ｎ−１回目の動作について説明する。制御回路１８は、第ｎ−１回目の画像データ取得期間においてＲＴ２０６に１パルス（ＳＲＴ３１の１つ目のパルスＰ１１に相当）を出力してＲＴ２０６をオンにすることにより、ＦＤ２０４を初期化させる。続いて、制御回路１８は、ＴＸ２０２に１パルス（ＳＴＸ３２の１つ目のパルスＰ１０１に相当）を出力してＴＸ２０２をオンにすることにより、第ｎ−１回目の蓄積期間（蓄積期間Ｔ１に相当）においてＰＤ２００に発生した電荷をＦＤ２０４へ転送させる。そして、制御回路１８は、ＳＥＬ２１０に図３に示すように予め１パルス（ＳＳＥＬ３０の１つ目のパルスＰ１００１に相当）を出力してＳＥＬ２１０をオンにしておく。

これにより、制御回路１８は、ＳＥＬ２１０がオンになっている期間にＦＤ２０４の信号レベルを増幅した画素信号を出力させ、各画素信号の画像データを出力させる。なお、制御回路１８は、ＳＥＬ２１０へのパルスＰ１００１の出力を第ｎ回目の蓄積期間Ｔ１中（ただし、パルスＰ１２の出力前とする）に行っても良い。

以上のように、第１動作例では、一画像データ取得期間の全体に渡ってＰＤ２００で光を順次電荷に変換し、その蓄積された電荷を１回のＴＸ２０２のオンにより、ＰＤ２００からＦＤ２０４へ転送する。

ところで、光電変換によりＰＤ２００で発生する電荷量には飽和レベルがある。よって、光を受けている期間にＰＤ２００で発生する電荷量を飽和レベル以下に抑えるために、最も感度が高くなる色（この例ではＲ色）を受光するＰＤ２００が飽和レベルに達しないように蓄積期間Ｔ１を設定することが望ましい。

（第２動作例）
第１の動作例において、光を受けている期間にＰＤ２００で発生する電荷量を飽和レベル以下に抑えることが必要であることについて述べた。それ以外にも、ＦＤ２０４には、保持することができる総電荷量がある。その総電荷量を超える電荷をＰＤ２００からＦＤ２０４に転送する場合、その分の電荷がＰＤ２００に残留することになる。よって、ＦＤ２０４が総電荷量に達する前にＦＤ２０４の信号レベルをリセットすることも必要になる。

図４は、撮像装置１の第２動作例を示すタイミングチャートである。第２動作例では、一画像データ取得期間においてリセットと転送の数を共に１回から複数回に増やした場合の例を示す。ここでは、一例として２回に増やした場合の例を示すが、リセットと転送の回数を２回に限らず３回や４回などと増やしても良い。

図４において、「一画像データ取得期間」の長さは、比較を容易にするため第１動作例と同様とする。従って、図４において、ＳＳＥＬ４０をＳＳＥＬ３０（図３参照）と同じにしてある。この例の場合、「一画像データ取得期間」の長さは、ＳＴＸ４２に示す１つ目のパルスＰ１０１の立下りと３つ目のパルスＰ１０３の立下りまでの期間となる。なお、後述する他の動作例においても「一画像データ取得期間」の長さは同じ長さとする。

第２動作例では、「一画像データ取得期間」においてＲＴ２０６とＴＸ２０２のそれぞれが２回オンになる。ＲＴ２０６とＴＸ２０２の１回目のオンと、２回目のオンは、何れも、ＦＤ２０４の信号レベルがリセットされてＰＤ２００からＦＤ２０４へ電荷が転送される動作になる。この内、１回目のオンは、ＦＤ２０４に転送された電荷は捨てられ、２回目のオンは、ＦＤ２０４に転送された電荷は捨てられることなく画素信号として出力される。つまり、一画像データ取得期間は、電荷を捨てる前半の第１期間と電荷を画素信号として出力する後半の第２の期間とにより構成されることになる。

具体的に、行１を例に説明する。ＳＲＴ４１とＳＴＸ４２の１つ目のパルスＰ１１とパルスＰ１０１は、それぞれ、第ｎ−１回目の画像データ取得期間における、ＲＴ２０６とＴＸ２０２の２回目のオンを表す。つまり、ＦＤ２０４のリセット後にＦＤ２０４に転送された電荷が画素信号として出力される。

ＳＲＴ４１とＳＴＸ４２の２つ目のパルスＰ１２とパルスＰ１０２は、それぞれ、第ｎ回目の画像データ取得期間における、ＲＴ２０６とＴＸ２０２の１回目のオンを表す。ＳＴＸ４２の１つ目のパルスＰ１０１の立下りから２つ目のパルスＰ１０２の立下りまでが第１の期間に相当する。この第１の期間にはＰＤ２００で受光される光が順次電荷に変換され、その蓄積された電荷の全てが、ＲＴ２０６とＴＸ２０２の２つ目のパルスＰ１２とパルスＰ１０２とによりＰＤ２００からＦＤ２０４へと転送される。

ＳＲＴ４１とＳＴＸ４２の３つ目のパルスＰ１３とパルスＰ１０３は、それぞれ、第ｎ回目の画像データ取得期間における、ＲＴ２０６とＴＸ２０２の２回目のオンを表す。ＳＴＸ４２の２つ目のパルスＰ１０２の立下りから３つ目のパルスＰ１０３の立下りまでが第２の期間に相当する。続く第２の期間にはＰＤ２００で受光される光が、第１の期間と同様に順次電荷に変換され蓄積される。その後、パルスＰ１３により、ＦＤ２０４に保持されている第１の期間の電荷が全て捨てられ、続くパルスＰ１０３により、第２の期間において蓄積された全ての電荷がＰＤ２００からＦＤ２０４へと転送される。この電荷は、ＳＳＥＬ４０のパルスＰ１００２により画素信号として出力される。

また、ここでは行１を例に説明したが、行２と行３についても同様とする。後述する各動作例においても、行毎に説明する必要が無い限り、行１を例に説明する。

（蓄積期間）
第２動作例における蓄積期間Ｔ２は、ＳＴＸ４２の２つ目のパルスＰ１０２の立下りから３つ目のパルスＰ１０３の立下りまでの第２の期間である。つまり、「一画像データ取得期間」の一部が蓄積期間Ｔ２として利用される。第１の期間ではＦＤ２０４の電荷が画像データに反映されないため「撮像を行わない期間」に相当する。

なお、蓄積期間Ｔ２は、ＳＴＸ４２の２つ目のパルスＰ１０２のタイミングをＳＴＸ４２の１つ目のパルスＰ１０１と３つ目のパルスＰ１０３の範囲で移動させることにより適宜変更しても良い。

また、第１の期間においてリセットと転送を複数回行う場合は、第１の期間における最後のＳＲＴ４１のリセット後のＳＴＸ４２のパルスの立下りから、蓄積期間Ｔ２が開始となる。

また、第２の動作例では、第１の動作例と同様に、各行の蓄積期間Ｔ２のタイミングを揃えているため、全撮像素子２０において同一タイミングで受光された光の画像データの読み出しが可能になる。

（保持期間）
パルスＰ１３により、ＦＤ２０４に保持されている第１の期間の電荷が全て捨てられ、続くパルスＰ１０３により、第２の期間において蓄積された全ての電荷がＰＤ２００からＦＤ２０４へと転送される。この転送（一画像データ取得期間中の複数回目の転送）後から、次のリセットパルスの立ち上がりまでの期間が「保持期間」に当たる。

本例では、ＳＳＥＬ４０のパルスＰ１００２のタイミングをＳＴＸ４２のパルスＰ１０３のタイミングに重ならせている。このため、次のリセットパルスの立ち上がり前、つまり保持期間内に、ＦＤ２０４に保持されている電荷を全て画素信号として出力することが可能になる。ＳＳＥＬ４０のパルスＰ１００２のタイミングは、次のリセットパルスの立ち上がりの直前まで遅らせることが可能である。

（制御回路の動作）
制御回路１８は、一画像データ取得期間におけるリセットと転送の回数をこの期間内の出力パルスの追加により増加させることができる。

以上より、制御回路１８は、第２の動作例に示すように、一画像データ取得期間において転送を行わせるパルスを複数回出力することにより、ＰＤ２００で発生する電荷量を飽和レベル以下に抑えることが可能になる。また、制御回路１８は、第２の動作例に示すように、一画像データ取得期間においてリセットを行わせるパルスを複数回出力することにより、ＦＤ２０４が保持する電荷量が総電荷量に到達する前にＦＤ２０４の信号レベルをリセットすることも可能になる。

（第３動作例）
一般に、ＲＧＢ３色の光をＰＤ２００で検出する場合、Ｒ，Ｇ，Ｂの順で感度が下がる。このため、ＲＧＢ３色の光に対して光電変換を同一期間実施した場合、Ｒ，Ｇ，Ｂの順でＰＤ２００により発生する電荷量が少なくなる。

Ｒ色の光を受光するＰＤ２００を飽和させないようにと蓄積期間を短く設定した場合、最も感度の低いＢ色の光を受光するＰＤ２００において発生する電荷は、飽和レベルよりもずっと少なくなる。Ｒ色の光を受光するＰＤ２００はダイナミックレンジをフルに活用できても、Ｂ色の光を受光するＰＤ２００は不十分になることがある。この点について改善した動作例を次に示す。

図５は、撮像装置１の第３動作例を示すタイミングチャートである。第３動作例では、カラーフィルタの色により分けた画素群（本例では行１の画素群、行２の画素群、行３の画素群）を単位にそれぞれの蓄積期間を異ならせた場合について示している。

第３の動作例では、「一画像データ取得期間」においてＲＴ２０６とＴＸ２０２の１回目のオンのタイミングを行（画素群）に応じて異ならせる。具体的に、行１ではＲ色の光を受光するため、図５に示すようにＳＲＴ５１とＳＴＸ５２のそれぞれの２つ目のパルスＰ１２とパルスＰ１０２を後方に移動する。これにより、蓄積期間Ｔ３１が３つの行の中で最も短くなる。行２ではＧ色の光を受光するため、ＳＲＴ５３とＳＴＸ５４のそれぞれの２つ目のパルスＰ２２とパルスＰ２０２をやや後方に移動する。これにより、蓄積期間Ｔ３２が３つの行の中で２番目に短くなる。行３ではＢ色の光を受光するため、ＳＲＴ５５とＳＴＸ５６のそれぞれの２つ目のパルスＰ３２とパルスＰ３０２をそのままの位置とする。これにより、蓄積期間Ｔ３３が３つの行の中で最も長くなる。

第１と第２の動作例と同様にＳＥＬ２１０がオンにされている期間にＴＸ２０２がオンにされるタイミングは全行で同一であるので、蓄積期間は異なっても画像データの読み出しは同一のタイミングとなる。

（蓄積期間）
第３動作例においても、第２動作例と同様に、行１においてはＳＴＸ５２の２つ目のパルスＰ１０２の立下りから、ＳＴＸ５２の３つ目のパルスＰ１０３の立下りまでが蓄積期間（蓄積期間Ｔ３１）になる。行２においてはＳＴＸ５４の２つ目のパルスＰ２０２の立下りから、ＳＴＸ５４の３つ目のパルスＰ２０３の立下りまでが蓄積期間（蓄積期間Ｔ３２）になる。行３においてはＳＴＸ５６の２つ目のパルスＰ３０２の立下りから、ＳＴＸ５６の３つ目のパルスＰ３０３の立下りまでが蓄積期間（蓄積期間Ｔ３３）になる。

因みに、例えば行１において、ＳＲＴ５１の２つ目のパルスＰ１２と３つ目のパルスＰ１３の間と、ＳＴＸ５２の２つ目のパルスＰ１０２と３つ目のパルスＰ１０３の間に、共に同じ数のパルスを追加する場合には、ＳＥＬ２１０がオフにされている期間（ＳＳＥＬ５０の１つ目のパルスＰ１００１の立下りから２つ目のパルスＰ１００２の立ち上がりまでの期間）におけるＳＴＸ５２の最後のパルスの立下りから、ＳＥＬ２１０がオンにされている期間（ＳＳＥＬ５０の２つ目のパルスＰ１００２の期間）のＳＴＸ５２の３つ目のパルスの立下りまでが蓄積期間となる。

（制御回路の動作）
第３動作例では、制御回路１８は一画像データ取得期間においてＲＴ２０６とＴＸ２０２とをこの順にセットで２回オンにする。制御回路１８は、ＴＸ２０２をオンにする１回目のタイミング（２つ目のパルスＰ１０２、Ｐ２０２、Ｐ３０３のタイミング）を行毎にずらすことにより、色毎（画素群毎）に蓄積期間を変える。つまり、撮像装置１は、制御回路１８による制御信号により蓄積期間を色毎に設定することが可能になる。

以上により、同一の撮像素子２０であっても、ＰＤ２００で受光する色に合わせて制御回路１８で蓄積期間を設定することにより、受光する色に依存することなく各撮像素子２０で高いダイナミックレンジを確保することが可能になる。

ここでは、制御回路１８で感度の高いＲ色を処理する撮像素子２０に短い蓄積期間Ｔ３１を設定し、感度の低いＢ色を処理する撮像素子２０に長い蓄積期間Ｔ３３を設定した。これにより、感度の低いＢ色は、蓄積時間を長く設定したことにより、より多くの電荷に変換され、高いダイナミックレンジを確保することが可能になっている。また、感度の高いＲ色は、蓄積時間を短く設定したことにより飽和量未満に電荷の変換を抑え、高いダイナミックレンジを確保することが可能になっている。従って、撮像素子２０がそれぞれ異なる色を扱うことによって生じる感度差が均一になるように補正することが可能になる。

（第４動作例）
第４動作例では、扱う色に応じて蓄積期間を変更し、更に各色の蓄積期間の中点を揃える場合について説明する。

図６は、撮像装置１の第４動作例を示すタイミングチャートである。ここでは、行１、行２、行３の蓄積期間をそれぞれ、蓄積期間Ｔ４１、蓄積期間Ｔ４２、蓄積期間Ｔ４３とし、それぞれの蓄積期間の中点（Ｔ４１／２、Ｔ４２／２、Ｔ４３／２）のタイミングを破線で示す垂線上に一致させた場合のものについて示している。

また、第３動作例と比較すると、各行のＳＥＬ２１０のオンのタイミングも、行毎に異なるタイミングに調節している。例えば、行１についてはＳＳＥＬ６０のパルスＰ１００２の立下りのタイミングをＳＴＸ６２の３つ目のパルスＰ１０３の立下りのタイミングに合わせている。行２についてはＳＳＥＬ６３のパルスＰ１００２の立下りのタイミングをＳＴＸ６５の３つ目のパルスＰ２０３の立下りのタイミングに合わせている。行３についてはＳＳＥＬ６６のパルスＰ１００２の立下りのタイミングをＳＴＸ６８の２つ目のパルスＰ３０２の立下りのタイミングに合わせている。従って、ＳＥＬ２１０のタイミングは、行毎に異なっている。

各行のＳＥＬ２１０のタイミングの関係から、この例の場合には、画素信号は行１、行２、行３の順に出力される。このため、画像データＧ（ｎ−１）、画像データＧ（ｎ）は行３の出力後に出力されている。

（制御回路の動作）
制御回路１８は、ＰＤ２００の各色の蓄積期間の中点が揃うように、例えば図６に一例を示すように、ＳＥＬ２１０、ＲＴ２０６、及びＴＸ２０２のスイッチオンの動作タイミングを制御する。

なお、ＳＳＥＬ６０、ＳＳＥＬ６３、ＳＳＥＬ６６のタイミングは一例であり、このタイミングに限定するものではない。

以上により、各行（つまり各色）の画素の蓄積期間の中点を揃えることにより、画像データの各画素に、同じタイミングで受光した光のデータをより多く含ませることが可能になる。

この場合、例えば、連続して撮像したＲＧＢ各色の画像をつなぎ合わせて元の画像を再現する場合に、ＲＧＢ各色の画像データの相対的な位置関係を一致させることができ、再現時の画像処理負荷を軽減できる。

なお、以上に示す第１〜第４の各動作は、一例であり、本実施の形態の適用が及ぶ範囲内において適宜変形しても良い。次に示すものは、その変形の一例である。

ＦＤ２０４の信号レベルのリセットは、ＰＤ２００から電荷を転送する直前に行い、ＰＤ２００からの電荷の転送は、ＦＤ２０４の信号レベルのリセットが完了した後に行う。例えば、図４に示す行１を一例に挙げると、ＳＲＴ４１の各パルスＰ１１、Ｐ１２、Ｐ１３をＳＴＸ４２の各パルスＰ１０２、Ｐ１０２、Ｐ１０３の直前に配置するようにする。こうすることにより、制御回路１８は、ＲＴ２０６によるＦＤ２０４の初期化をＴＸ２０２による電荷転送直前に常時実施するため、ＰＤ２００からの電荷転送直前に必ずＦＤ２０４の信号レベルがリセット状態になる。リセット状態のＦＤ２０４であれば、ＰＤ２００の電荷を全て転送可能であるため、ＰＤ２００での残留電荷をなくすことができる。

また、第２の期間の開始時にＰＤ２００に第１の期間の電荷が残る場合には、第２の期間の開始前にリセットと転送を複数回行うようにしても良い。つまり、第１の期間内に、ＰＤ２００の蓄積電荷をＦＤ２０４に転送し、リセットによりその電荷を捨てる動作を複数回繰り返す。図４に示す行１を一例に挙げると、ＳＲＴ４１のパルスＰ１２とＳＴＸ４２のパルスＰ１０２との間に複数組のリセットパルスと転送パルスを追加する。また、第１の期間を短縮できる場合は、ＳＲＴ４１のパルスＰ１２とパルスＰ１３の間に複数のリセットパルスを追加し、ＳＴＸ４２のパルスＰ１０２とパルスＰ１０３の間に、ＳＲＴ４１に追加したリセットパルスに対応する転送パルスを追加する。この場合、追加された転送パルスの内のパルスＰ１０３の直前の転送パルスの立下りが蓄積期間の開始になる。

また、ＳＲＴ及びＳＴＸに対するＳＳＥＬのパルスの位置関係は一例であるため、適宜変形しても良い。図４に示す行１を例に挙げると、ＳＳＥＬ４０の１つ目のパルスＰ１００１は、ＳＴＸ４２の１つ目のパルスＰ１０１の立下りのタイミングからＳＲＴ４１の２つ目のパルスＰ１２の立ち上がりの前までの間に配置されていれば良い。

また、蓄積期間外に常時ＴＸ２０２をオンしておいてもよい。ＴＸ２０２がオンにされたままであれば、ＰＤ２００で発生した電荷を常にＦＤ２０４へと転送できる。ただし、ＦＤ２０４に転送できる総電荷量を超える電荷がＰＤ２００で発生する可能性がある場合は、ＦＤ２０４へ転送できなかった電荷がＰＤ２００に残る可能性がある。従って、その場合は、ＦＤ２０４に総電荷量を超える電荷が転送される前にＲＴ２０６によるＦＤ２０４の初期化を実施することによりＦＤ２０４に保持した電荷を捨てる。

また、制御回路１８は、例えば画像データ取得間隔を長く設定し、蓄積期間を短く設定して、蓄積期間外のＰＤ２００に蓄積された電荷を複数回に分けてＦＤ２０４へ転送させてもよい。

また、ＳＦ２０８は、多段に構成しても良い。また、ＳＥＬ２１０は「制御スイッチ」の一例として示したものである。この他、定電流回路であれば、その他の構成のものに変更しても良い。

また、撮像装置は、画素単位で蓄積期間を設定できるものでも、所定の画素群毎に蓄積期間を設定できるものであっても良い。一例として行（画素群）毎に蓄積期間を設定する構成のものを示したが、画素毎に蓄積期間を設定するものであっても良い。また、リニアセンサのＲＧＢの行を画素群の一例として示したが、画素群をこれに限定するものではない。例えばベイヤー配列の各画素を色別に分類したものを画素群にしても良い。

また、画素を色別に分類した場合の画素群の構成を示したが、色別に限らず、各画素のＰＤ２００の光電変換特性により画素群を分類しても良い。例えば、光電変換特性が所定の基準よりも良いもの第１の画素群とし、所定の基準よりも悪いものを第２の画素群として分類する。

また、撮像素子に異なるカラーフィルタを配置することにより、Ｒ色の光を入射させる画素群と、Ｇ色の光を入射させる画素群と、Ｂ色の光を入射させる画素群とに分類したが、各撮像素子に、白色光から分離したＲＧＢ色の何れかの光を直接入射させるようにしても良い。

以上、第１動作例〜第４動作例に示した動作、また、この技術思想に含まれる全ての変形動作、その変形動作を含む構成では、画素群毎に感度差を補正することができ、更に撮像を行わない期間に発生する電荷の影響を低減させることができるという効果を奏する。

１撮像装置
１０撮像素子ブロック
１８制御回路（制御部）
２０撮像素子
２００フォトダイオード（ＰＤ：受光素子）
２０２電荷転送スイッチ（ＴＸ）
２０４フローティングディフュージョン（ＦＤ）
２０６リセットスイッチ（ＲＴ）
２０８ソースフォロワ回路（ＳＦ）
２１０選択制御スイッチ（ＳＥＬ）

特開２００６−１９１２３６号公報特開２０１３−１０６２３１号公報国際公開第２００７／１１１８５４号特開２０１１−６６８５２号公報

Claims

複数の撮像素子が配列された撮像装置であって、
前記撮像素子は、
光電変換により受光した光から電荷を生成する受光素子と、
前記受光素子が生成した前記電荷を電圧に変換するフローティングディフュージョンと、
前記受光素子から前記フローティングディフュージョンへ前記電荷を転送させる電荷転送スイッチと、
前記フローティングディフュージョンの前記電圧をリセットするリセットスイッチと、
前記フローティングディフュージョンの前記電圧を増幅するソースフォロワと、
を有し、
前記リセットスイッチは、
一画像データ取得期間中に前記フローティングディフュージョンの前記電圧のリセットを所定の画素群毎に複数回行い、
前記電荷転送スイッチは、
前記一画像データ取得期間中に前記受光素子から前記フローティングディフュージョンへの前記電荷の転送を所定の画素群毎に複数回行うこと
を特徴とする撮像装置。
前記電荷転送スイッチが前記受光素子から前記フローティングディフュージョンへ前記電荷を転送させる直前に、前記リセットスイッチが前記フローティングディフュージョンの前記電圧をリセットすること
を特徴とする請求項１に記載の撮像装置。
前記複数の撮像素子は、
それぞれ前記受光素子に対して赤、青、緑のいずれかの色の光を受光するようにフィルタが設けられ、受光する前記光の色毎に前記画素群を構成していること
を特徴とする請求項１又は２に記載の撮像装置。
前記リセットスイッチが前記フローティングディフュージョンの前記電圧をリセットするタイミングと前記電荷転送スイッチが前記受光素子から前記フローティングディフュージョンへ前記電荷を転送させるタイミングとを制御する制御部を更に有すること
を特徴とする請求項１乃至３の内の何れか一項に記載の撮像装置。
前記ソースフォロワによる前記フローティングディフュージョンの前記電圧を増幅して出力する動作をオンにする制御スイッチを有し、
前記制御スイッチは、前記一画像データ取得期間中の、前記複数回の転送の内の一部の転送により転送された前記電荷が前記フローティングディフュージョンに保持されている保持期間の終了までに前記動作をオンにすること
を特徴とする請求項１乃至４の内の何れか一項に記載の撮像装置。
前記制御部は、更に、
前記制御スイッチの前記動作をオンにするタイミングを制御すること
を特徴とする請求項５に記載の撮像装置。
前記保持期間は、複数回目の前記転送後に開始される蓄積期間に前記受光素子において蓄積される電荷の、前記フローティングディフュージョンへの転送後から次にリセットされるまでの期間であること
を特徴とする請求項５又は６に記載の撮像装置。
前記蓄積期間は、画素群毎に異なること
を特徴とする請求項７に記載の撮像装置。
前記制御部は、
前記受光素子それぞれが電荷を蓄積する期間の中点が揃うように、前記リセットスイッチ及び前記電荷転送スイッチの動作タイミングを制御すること
を特徴とする請求項１乃至８の何れか一項に記載の撮像装置。