JP2013162421A - 固体撮像装置及びこれを用いたデジタルカメラ - Google Patents

Abstract

【課題】画素部の周辺に設けられた回路から発生する熱に依存する暗電流の影響を低減し、得られる画像の画質を向上させる。
【解決手段】固体撮像装置４は、２次元状に配置された複数の画素ＰＸと、前記複数の画素ＰＸのうちの前記複数の画素ＰＸの列方向の中央付近の行の画素ＰＸから信号を読み出すよりも先に、前記複数の画素ＰＸのうちの前記列方向の一方側の行の画素ＰＸ及び他方側の行の画素ＰＸから信号を読み出すように、前記複数の画素ＰＸを制御する制御手段２３と、を備える。
【選択図】図２

Description

本発明は、固体撮像装置及びこれを用いたデジタルカメラに関するものである。

デジタルカメラ等の電子カメラにおいては、ＣＭＯＳイメージセンサ等のＸＹアドレス型固体撮像素子（例えば、下記特許文献１）を使用するのが一般的である。

従来、ＸＹアドレス型固体撮像素子からの信号の読み出しは、水平ライン毎に、撮像素子の垂直方向の一方端の水平ラインから他方端の水平ラインまで垂直方向に順番に、行われていた。

特開平１１−１２２５３２号公報

しかしながら、前記従来の電子カメラでは、画素部の周辺に設けられた回路から発生する熱に依存する暗電流の影響が大きくなってしまい、得られる画像の画質が低下してしまう。この点については、後に、本発明と比較される比較例の説明において詳述する。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、画素部の周辺に設けられた回路から発生する熱に依存する暗電流の影響を低減することができ、得られる画像の画質を向上させることができる固体撮像装置、及びこれを用いた電子カメラを提供することを目的とする。

前記課題を解決するための手段として、以下の各態様を提示する。第１の態様による固体撮像装置は、２次元状に配置された複数の画素と、前記複数の画素のうちの前記複数の画素の列方向の中央付近の行の画素から信号を読み出すよりも先に、前記複数の画素のうちの前記列方向の一方側の行の画素及び他方側の行の画素から信号を読み出すように、前記複数の画素を制御する制御手段と、を備えたものである。

第２の態様による固体撮像装置は、前記第１の態様において、作動時に発熱する回路部が、前記複数の画素が配置されている画素部に対する前記列方向の両側にそれぞれ配置されたものである。

第３の態様による固体撮像装置は、前記第１又は第２の態様において、前記制御手段は、前記複数の画素のうちの同一行の画素からの信号の読み出しタイミングが同一であるとともに、前記複数の画素のうちの異なる行の画素からの信号の読み出しタイミングが異なるように、前記複数の画素を制御するものである。

第４の態様による固体撮像装置は、前記第３の態様において、前記複数の画素の読み出すべき行に関して、前記列方向の前記一方側と前記他方側とをｋ（ｋは１以上の整数）行ずつ交互に選択しつつ選択された側において当該選択された側の最も端から順次選択されたｋ行のうちの各行の画素から信号を順次読み出すように、前記複数の画素を制御するものである。

第５の態様による固体撮像装置は、前記第４の態様において、ｋが１であり、前記制御部は、前記列方向の前記一方側の行を選択するための第１のシフトパルスを生成する第１のシフトレジスタと、前記列方向の前記他方側の行を選択するための第２のシフトパルスを生成する第２のシフトレジスタとを有し、前記第１及び第２のシフトレジスタは、前記第１のシフトパルスの発生周期と前記第２のシフトパルスの発生周期とが同一であるとともに、前記第１のシフトパルスの発生タイミングと前記第２のシフトパルスの発生タイミングとが前記発生周期の半周期だけずれるように、駆動されるものである。

第６の態様による固体撮像装置は、前記第１乃至第５のいずれかの態様において、前記制御手段は、グローバルシャッタ動作において、前記複数の画素のうちの複数の画素の列方向の中央付近の行の画素から信号を読み出すよりも先に、前記複数の画素のうちの前記列方向の一方側の行の画素及び他方側の行の画素から信号を読み出すように、前記複数の画素を制御するものである。

第７の態様による固体撮像装置は、前記第１乃至第６のいずれかの態様において、前記制御手段は、ローリングシャッタ動作において、前記複数の画素のうちの複数の画素の列方向の中央付近の行の画素をリセットするよりも先に、前記複数の画素のうちの前記列方向の一方側の行の画素及び他方側の行の画素をリセットするように、かつ、前記複数の画素のうちの複数の画素の列方向の中央付近の行の画素から信号を読み出すよりも先に、前記複数の画素のうちの前記列方向の一方側の行の画素及び他方側の行の画素から信号を読み出すように、前記複数の画素を制御するものである。

第８の態様による電子カメラは、前記第１乃至第７のいずれかの態様による固体撮像装置を備えたものである。

本発明によれば、画素部の周辺に設けられた回路から発生する熱に依存する暗電流の影響を低減することができ、得られる画像の画質を向上させることができる固体撮像装置、及びこれを用いた電子カメラを提供することができる。

本発明の一実施の形態による電子カメラを模式的に示す概略ブロック図である。 図１中の固体撮像装置の概略構成を示す回路図である。 図２中の画素を示す回路図である。 図２に示す固体撮像装置を模式的に示す概略平面図である。 図２に示す固体撮像装置のグローバルシャッタ動作の一例を示すタイミングチャートである。 比較例による固体撮像装置の概略構成を示す回路図である。 図６に示す固体撮像装置のグローバルシャッタ動作を示すタイミングチャートである。 図２に示す固体撮像装置と同様の固体撮像装置及び図６に示す固体撮像装置と同様の固体撮像装置の、グローバルシャッタ動作時に得られる各行の画素の信号レベルを示す図である。 図２に示す固体撮像装置のローリングシャッタ動作の一例を示すタイミングチャートである。 図６に示す固体撮像装置のローリングシャッタ動作を示すタイミングチャートである。 被写体の様子、並びに、図２に示す固体撮像装置及び図６に示す固体撮像装置のローリングシャッタ動作時に得られる画像を模式的に示す図である。

以下、本発明による固体撮像装置及び電子カメラについて、図面を参照して説明する。

図１は、本発明の一実施の形態による電子カメラ１を模式的に示す概略ブロック図である。

本実施の形態による電子カメラ１は、例えば一眼レフのデジタルカメラとして構成されるが、本発明による電子カメラは、これに限らず、コンパクトカメラなどの他の電子カメラや、携帯電話に搭載された電子カメラなどにも適用することができる。

電子カメラ１には、撮影レンズ２が装着される。この撮影レンズ２は、レンズ制御部３によってフォーカスや絞りが駆動される。この撮影レンズ２の像空間には、固体撮像装置４の撮像面が配置される。

固体撮像装置４は、撮像制御部５の指令によって駆動され、デジタルの画像信号を出力する。本実施の形態では、電子ビューファインダーモード時や動画撮影時などでは、撮像制御部５は、後述するローリングシャッタ動作を行うように固体撮像装置４を制御する。また、本実施の形態では、通常の本撮影時（静止画撮影時）などでは、撮像制御部５は、後述するグローバルシャッタ動作を行うように固体撮像装置４を制御する。いずれの画像信号も、デジタル信号処理部６により処理された後に、メモリ７に一旦格納される。デジタル信号処理部６は、固体撮像装置４から出力されるデジタルの画像信号に対して、デジタル増幅、色補間処理、ホワイトバランス処理などの画像処理等を行う。メモリ７は、バス８に接続されている。バス８には、レンズ制御部３、撮像制御部５、ＣＰＵ９、液晶表示パネル等の表示部１０、記録部１１、画像圧縮部１２及び画像処理部１３なども接続される。ＣＰＵ９には、レリーズ釦などの操作部１４が接続される。また、記録部１１には記録媒体１１ａが着脱自在に装着される。

電子カメラ１内のＣＰＵ９は、操作部１４の操作により電子ビューファインダーモードや動画撮影などが指示されると、それに合わせて撮像制御部５を駆動する。撮像制御部５は、後述するローリングシャッタ動作を行うように固体撮像装置４を制御する。このとき、レンズ制御部３によって、フォーカスや絞りが適宜調整される。固体撮像装置４から得られたデジタルの画像信号は、メモリ７に蓄積される。ＣＰＵ９は、電子ビューファインダーモード時には画像信号を表示部１０に画像表示させ、動画撮影時には画像信号を記録媒体１１ａに記録する。通常の本撮影時（静止画撮影時）などの場合は、ＣＰＵ９は、画像信号がメモリ７に蓄積された後に、操作部１４の指令に基づき、必要に応じて画像処理部１３や画像圧縮部１２にて所望の処理を行い、記録部１１に処理後の信号を出力させ記録媒体１１ａに記録する。

図２は、図１中の固体撮像装置４の概略構成を示す回路図である。本実施の形態では、固体撮像装置４は、ＣＭＯＳ型の固体撮像装置として構成されているが、他のＸＹアドレス型固体撮像装置として構成してもよい。

固体撮像装置４は、図２に示すように、ｎ行ｍ列に２次元マトリクス状に配置された画素ＰＸからなる画素部２１と、タイミング発生回路２２と、垂直走査回路２３と、画素ＰＸの行毎に設けられた制御線２４〜２６と、画素ＰＸの列毎に設けられ対応する列の画素ＰＸからの信号を受け取る複数の（ｍ本の）垂直信号線２７と、各垂直信号線２７に設けられた定電流源２８と、各垂直信号線２７に対応して設けられたＣＤＳ回路（相関２重サンプリング回路）２９及びＡ／Ｄ変換器３０と、水平読み出し回路３１とを有している。

図３は、図２中の１つの画素ＰＸを示す回路図である。各画素ＰＸは、一般的なＣＭＯＳイメージセンサと同様に、入射光に応じた電荷を生成し蓄積する光電変換部としてのフォトダイオードＰＤと、前記電荷を受け取って前記電荷を電圧に変換する電荷電圧変換部としてのフローティングディフュージョンＦＤと、フローティングディフュージョンＦＤの電位に応じた信号を出力する増幅部としての増幅トランジスタＡＭＰと、フォトダイオードＰＤからフローティングディフュージョンＦＤに電荷を転送する転送トランジスタＴＸと、フローティングディフュージョンＦＤの電位をリセットするリセットトランジスタＲＥＳと、読み出し行を選択するための選択トランジスタＳＥＬとを有し、図３に示すように接続されている。図３において、ＶＤＤは電源電位である。なお、本実施の形態では、画素ＰＸのトランジスタＡＭＰ，ＴＸ，ＲＥＳ，ＳＥＬは、全てｎＭＯＳトランジスタである。

転送トランジスタＴＸのゲートは行毎に制御線２５に共通に接続され、そこには、転送トランジスタＴＸを制御する制御信号φＴＸが垂直走査回路２３から供給される。リセットトランジスタＲＥＳのゲートは行毎に制御線２４に共通に接続され、そこには、リセットトランジスタＲＥＳを制御する制御信号φＲＥＳが垂直走査回路２３から供給される。選択トランジスタＳＥＬのゲートは行毎に制御線２６に共通に接続され、そこには、選択トランジスタＳＥＬを制御する制御信号φＳＥＬが垂直走査回路２３から供給される。各制御信号φＴＸを行毎に区別する場合、ｊ行目の制御信号φＴＸは符号φＴＸ（ｊ）で示す。この点は、制御信号φＲＥＳ，φＳＥＬについても同様である。

各画素ＰＸのフォトダイオードＰＤは、入射光の光量（被写体光）に応じて信号電荷を生成する。転送トランジスタＴＸは、制御信号φＴＸのハイレベル期間にオンし、フォトダイオードＰＤの電荷をフローティングディフュージョンＦＤに転送する。リセットトランジスタＲＥＳは、制御信号φＲＥＳのハイレベル期間（電源電位ＶＤＤの期間）にオンし、フローティングディフュージョンＦＤをリセットする。

増幅トランジスタＡＭＰは、そのドレインが電源電位ＶＤＤに接続され、そのゲートがフローティングディフュージョンＦＤに接続され、そのソースが選択トランジスタＳＥＬのドレインに接続され、定電流源２８（図３では図示せず、図２を参照）を負荷とするソースフォロア回路を構成している。増幅トランジスタＡＭＰは、フローティングディフュージョンＦＤの電圧値に応じて、選択トランジスタＳＥＬを介して垂直信号線２７に読み出し信号を出力する。選択トランジスタＳＥＬは、制御信号φＳＥＬのハイレベル期間にオンし、増幅トランジスタＡＭＰのソースを垂直信号線２７に接続する。

垂直走査回路２３は、後述するグローバルシャッタ動作及びローリングシャッタ動作を実現するように、図２中の撮像制御部５による制御下でタイミング発生回路２２が発生するクロックやパルス等の信号に基づいて、画素ＰＸの行毎に、制御信号φＳＥＬ，φＲＥＳ，φＴＸをそれぞれ出力し、画素部２１の画素ＰＸを制御する。この制御によって、各垂直信号線２７には、それに対応する列の画素ＰＸの信号（アナログ信号）が供給される。

本実施の形態では、垂直走査回路２３は、上側垂直シフトレジスタ（第１のシフトレジスタ）３２と、下側垂直シフトレジスタ（第２のシフトレジスタ）３３と、垂直駆動回路３４とを有している。上側垂直シフトレジスタ３２は、１行目からｎ／２行目までの上側半分の画素ＰＸの各行を、その順序で、順次選択するための第１のシフトパルスφＶ（１）〜φＶ（ｎ／２）を生成する。すなわち、上側垂直シフトレジスタ３２のシフト方向は図２中の下方向となっている。このとき、上側垂直シフトレジスタ３２は、タイミング発生回路２２からの信号に応じて、全行読み出しモードの場合には、シフトパルスφＶ（１）〜φＶ（ｎ／２）の全てを生成する一方で、間引き読み出しモードの場合には、シフトパルスφＶ（１）〜φＶ（ｎ／２）のうちの間引く行のシフトパルスはスルーして生成せずに間引かない行（読み出すべき行）のシフトパルスのみを生成するようになっている。下側垂直シフトレジスタ３３は、（ｎ／２）＋１行目からｎ行目までの下側半分の画素ＰＸの各行を、その順序とは逆の順序で、順次選択するための第２のシフトパルスφＶ（（ｎ／２）＋１）〜φＶ（ｎ）を生成する。すなわち、下側垂直シフトレジスタ３３のシフト方向は図２中の上方向となっている。このとき、下側垂直シフトレジスタ３３は、タイミング発生回路２２からの信号に応じて、全行読み出しモードの場合には、シフトパルスφＶ（（ｎ／２）＋１）〜φＶ（ｎ）の全てを生成する一方で、間引き読み出しモードの場合には、シフトパルスφＶ（（ｎ／２）＋１）〜φＶ（ｎ）のうちの間引く行のシフトパルスは生成せずに間引かない行（読み出すべき行）のシフトパルスのみを生成するようになっている。

タイミング発生回路２２からの信号によって垂直シフトレジスタ３２，３３が駆動されることによって、全行読み出しモード及び間引き読み出しモードのいずれの場合も、上側垂直シフトレジスタ３２のシフトパルス発生周期と下側垂直シフトレジスタ３３のシフトパルス発生周期とが同じく２水平期間とされ、上側垂直シフトレジスタ３２に対するタイミング発生回路２２からのスタートパルスのタイミングと下側垂直シフトレジスタ３３に対するタイミング発生回路２２からのスタートパルスのタイミングとが１水平期間ずらされることで、上側垂直シフトレジスタ３２のシフトパルス発生タイミングと下側垂直シフトレジスタ３３のシフトパルス発生タイミングが前記シフトパルス発生周期の半周期（１水平期間）だけずれるようになっている。

本実施の形態では、これによって、タイミング発生回路２２及び垂直走査回路２３が、画素部２１の画素ＰＸの読み出すべき行（全画素読み出しモードの場合には全行、間引き読み出しモードの場合には間引かない行）に関して、列方向（垂直方向、図２中上下方向）の一方側（図２中の上側）と他方側（図２中の下側）とをｋ（ｋは１以上の整数）行ずつ交互に選択しつつ選択された側において当該選択された側の最も端から順次選択されたｋ行のうちの各行の画素から信号を順次読み出すように、画素部２１の画素ＰＸを制御するようになっている。ただし、本実施の形態では、ｋ＝１であって、画素部２１の画素ＰＸの読み出すべき行に関して、図２中の上側と図２中の下側とを１行ずつ交互に選択しつつ選択された側において当該選択された側の最も端から順次選択された１行の画素から信号を順次読み出すように、画素部２１の画素ＰＸが制御されるようになっている。したがって、本実施の形態では、全行読み出しモードの場合には、１行目、ｎ行目、２行目、ｎ−１行目、３行目、ｎ−２行目、・・・、（ｎ／２）行目、（ｎ／２）＋１行目の画素ＰＸが、その順序で順次読み出されことになる。

なお、シフトレジスタ３２，３３に代えて例えばデコーダ回路を用いてもよく、その場合には、ｋを１にするのみならならず、ｋを２以上にすることもできる。また、本発明では、画素部２１の画素ＰＸの読み出すべき行に関して、列方向の一方側と他方側とをｋ（ｋは１以上の整数）行ずつ交互に選択しつつ選択された側において当該選択された側の最も端から順次選択されたｋ行のうちの各行の画素から信号を順次読み出すように、画素部２１の画素ＰＸが制御されることが、画素部２１の周辺に設けられた回路部４１（後述する図４参照）から発生する熱に依存する暗電流の影響をより低減するために好ましいが、これに限定されるものではない。本発明では、画素部２１の画素ＰＸのうちの列方向の中央付近の行の画素ＰＸから信号を読み出すよりも先に、画素部２１の画素ＰＸのうちの列方向の一方側の行の画素ＰＸ及び他方側の行の画素ＰＸから信号を読み出すように、画素部２１の画素ＰＸを制御すればよく、その場合には、前記暗電流の影響を低減することができる。

垂直駆動回路３４は、垂直シフトレジスタ３２，３３からのシフトパルスφＶ（１）〜φＶ（ｎ）とタイミング発生回路２２からのクロックやパルス等の信号に基づいて、画素ＰＸの行毎に、後述するグローバルシャッタ動作や後述するローリングシャッタ動作を実現するための制御信号φＳＥＬ，φＲＥＳ，φＴＸをそれぞれ出力する。

なお、画素ＰＸの構成は、前述した図３に示す構成に限らない。例えば、列方向に隣り合う２つ以上の画素ＰＸ毎に、当該２つ以上の画素ＰＸが１組のフローティングディフュージョンＦＤ、増幅トランジスタＡＭＰ、リセットトランジスタＲＥＳ及び選択トランジスタＳＥＬを共有してもよい。

画素ＰＸから垂直信号線２７に読み出された信号は、各列毎に、ＣＤＳ回路２９にて所定のノイズ除去処理が施された後に、Ａ／Ｄ変換器３０にてデジタル信号に変換され、そのデジタル信号はＡ／Ｄ変換器３０に保持される。各Ａ／Ｄ変換器３０に保持されたデジタルの画像信号は、タイミング発生回路２２からのクロックやパルス等の信号に基づいて、水平読み出し回路３１によって水平走査され、必要に応じて所定の信号形式に変換されて、外部（図１中のデジタル信号処理部６）へ出力される。

タイミング発生回路２２は、撮像制御部５による制御下で、垂直走査回路２３の他に、他の各部（ＣＤＳ回路２９、Ａ／Ｄ変換器３０、水平読み出し回路３１など）に、必要なクロックやパルス等の信号を供給し、前述した動作を実現させる。

図４は、図２に示す固体撮像装置４を模式的に示す概略平面図である。本実施の形態では、図２中の画素部２１以外の要素からなる回路部４１が、画素部２１の上側（行方向の一方の側）及び下側（行方向の他方の側）に、分散して配置されている。回路部４１の上側部分及び下側部分の発熱状況（作動により発生する熱の状況）が互いにほぼ同じになるように、回路部４１は画素部２１の上下に対称的に配置することが好ましい。例えば、図２では、ＣＤＳ回路２９及びＡ／Ｄ変換器３０は、画素部２１の下側のみに配置されているかのように記載しているが、実際には、ＣＤＳ回路２９及びＡ／Ｄ変換器３０は、それぞれ半分ずつ、画素部２１の上側と下側に配置することが好ましい。なお、本実施の形態では、回路部４１を画素部２１の上側及び下側のみに配置しているが、回路部４１を画素部２１の上側及び下側のみならず左側及び／又は右側にも配置してもよく、例えば、垂直走査回路２３を画素部２１の左側に配置してもよい。

図５は、図２に示す固体撮像装置４のグローバルシャッタ動作の一例を示すタイミングチャートである。図５に示す動作例では、全行が読み出し対象行とされる全行読み出しモードで読み出し動作が行われる。画素ＰＸのトランジスタＴＸ，ＲＥＳ，ＳＥＬは、ハイレベル（ハイ）の制御信号を受けてオン状態とされる。なお、図５に示すグローバルシャッタ動作は、静止画撮影時などにおいて行われる。

まず、期間Ｔ１１において、全行のφＴＸがハイ（Ｈ）にされ、全画素ＰＸの転送トランジスタＴＸがオンにされる。このとき、全行のφＲＥＳがハイ（Ｈ）にされて全画素ＰＸのリセットトランジスタＲＥＳがオンにされているので、期間Ｔ１１において、全画素ＰＸのフォトダイオードＰＤ及びフローティングディフュージョンＦＤがリセットされる。期間Ｔ１１は、いわゆるグローバルリセットの期間である。全行のφＴＸは、期間Ｔ１１後にロー（Ｌ）にされ、画素ＰＸの転送トランジスタＴＸがオフにされる。

期間Ｔ１１の後の期間Ｔ１２において、メカニカルシャッタ（図示せず）が開かれる。この期間Ｔ１２が露光期間となる。

次いで、期間Ｔ１３において、１行目のφＳＥＬがハイ（Ｈ）にされる。これにより、１行目の選択トランジスタＳＥＬがオンにされ、１行目の行選択が開始され、１行目の増幅トランジスタＡＭＰによるソースフォロワ読み出しが開始される。

期間Ｔ１３の開始時点から所定期間経過した後に期間Ｔ２１が開始される。期間Ｔ２１では、１行目のφＲＥＳがロー（Ｌ）にされて１行目のリセットトランジスタＲＥＳがオフにされ、１行目のフローティングディフュージョンＦＤのリセットが終了される。期間Ｔ２１の開始時点から期間Ｔ２２の開始時点までの間に、１行目のダークレベル（フローティングディフュージョンＦＤのリセット状態に対応して１行目の増幅トランジスタＡＭＰから出力される信号）が、増幅トランジスタＡＭＰから垂直信号線２７を介してＣＤＳ回路２９にクランプ（保存）される。

期間Ｔ２２において、１行目のφＴＸがハイ（Ｈ）にされて１行目の転送トランジスタＴＸがオンにされる。これにより、１行目の画素ＰＸのフォトダイオードＰＤに蓄積されていた信号電荷が、当該画素ＰＸのフローティングディフュージョンＦＤに転送される。そして、期間Ｔ２２の終了時に、１行目のφＴＸがロー（Ｌ）にされて１行目の転送トランジスタＴＸがオフにされる。期間Ｔ２２の終了時点から期間Ｔ２１の終了時点（期間Ｔ１３の終了時点）までの間に、１行目のフローティングディフュージョンＦＤに転送された電荷による電位変動が増幅トランジスタＡＭＰから垂直信号線２７を介してＣＤＳ回路２９にクランプされる。すなわち、フォトダイオードＰＤの信号読出しが行われる。そして、ＣＤＳ回路２９によって、この信号と先のダークレベルとの差分信号が取得される。

その後、期間Ｔ１３の終了時点（期間Ｔ２１の終了時点）において、１行目のφＲＥＳがハイ（Ｈ）にされて１行目のリセットトランジスタＲＥＳがオンにされ、１行目のフローティングディフュージョンＦＤのリセットが開始されるとともに、１行目のφＳＥＬがロー（Ｌ）にされて１行目の選択トランジスタＳＥＬがオフにされ、１行目の行選択が終了される。

次に、水平帰線期間を経てｎ行目の選択動作の期間Ｔ１４へと移行する。１行目の選択動作の期間Ｔ１３の開始時点からｎ行目の選択動作の期間Ｔ１４の開始時点までの期間が、１水平期間である。その後、それぞれ水平帰線期間を経て、２行目の選択動作の期間Ｔ１５、ｎ−１行目の選択動作の期間Ｔ１６、３行目の選択動作の期間、ｎ−２行目の選択動作の期間、・・・、（ｎ／２）行目の選択動作の期間、（ｎ／２）＋１行目の選択動作の期間へと順次移行し、さらに水平帰線期間へ移行する。１行目以外の各行についても１行目と同様な動作が行われるので、ここではその説明は省略する。各行の選択期間における転送トランジスタＴＸのオン期間の開始時点は、時間ΔＴ（＝１水平期間の長さｔａ）ずつ遅れていく。このようにして、すべての行から信号が読み出されると、１フレームの画像信号の読み出しを終了する。なお、前記各水平帰線期間において、各ＣＤＳ回路２９で取得された前記差分信号がＡ／Ｄ変換器３０にてデジタル信号に変換され、水平読み出し回路３１によって外部（図１中のデジタル信号処理部６）へ出力される。

なお、先の説明からわかるように、図５に示す動作例では、同一行の画素ＰＸに関する信号の読み出しタイミングが同一であるとともに、異なる行の画素ＰＸに関する信号の読み出しタイミングが異なっている。

先の説明からわかるように、図５に示す動作例では、ｊ行目の画素ＰＸのフォトダイオードＰＤは露光期間Ｔ１２において受光した量に比例する信号電荷を発生させる。ｊ行目の画素ＰＸのフォトダイオードＰＤには、グローバルリセットの期間Ｔ１１の終了時点からｊ行目の選択期間における転送トランジスタＴＸのオン期間の開始時点（φ（ｊ）の立ち上がり時点）までの期間において、暗電流に起因するノイズ電荷が蓄積され得る。例えば、２行目の画素ＰＸのフォトダイオードＰＤには、グローバルリセットの期間Ｔ１１の終了時点から２行目の選択期間におけるφ（２）の立ち上がり時点までの期間において、暗電流に起因するノイズ電荷が蓄積され得る。

ところが、図５に示す動作例では、１行目、ｎ行目、２行目、ｎ−１行目、３行目、ｎ−２行目、・・・、（ｎ／２）行目、（ｎ／２）＋１行目の順に読み出され、画素部２１の上下の回路部４１に近い行が優先的に読み出されて、上下の回路部４１に近い行から内側の行（回路部４１から遠い行）に向かって読み出される。したがって、上下の回路部４１から画素部２１の各行へ伝播してくる熱が到達する以前に当該行から読み出すことができるか、あるいは、上下の回路部４１から画素部２１の各行へ伝播してから読み出しまでの時間を短くすることができる。このため、上下の回路部４１から伝播してきた熱に起因する暗電流ノイズが露光電荷に重畳されるのを防ぐことができるかあるいは低減することができる。その結果、画素部２１の周辺に設けられた回路部４１から発生する熱に依存する暗電流の影響を低減することができ、得られる画像の画質を向上させることができる。

図６は、比較例による固体撮像装置５４の概略構成を示す回路図であり、図２に対応している。図６において、図２中の要素と同一又は対応する要素には同一符号を付し、その重複する説明は省略する。

図６に示す固体撮像装置５４が図２に示す固体撮像装置４と異なる所は、上側垂直シフトレジスタ３２及び下側垂直シフトレジスタ３３に代えて、垂直シフトレジスタ３５が設けられている点のみである。垂直シフトレジスタ３５は、１行目からｎ行目までの全行を、その順序で、順次選択するためのシフトパルスφＶ（１）〜φＶ（ｎ）を生成する。すなわち、垂直シフトレジスタ３５のシフト方向は図２中の下方向となっている。このとき、垂直シフトレジスタ３５は、タイミング発生回路２２からの信号に応じて、全行読み出しモードの場合には、シフトパルスφＶ（１）〜φＶ（ｎ）の全てを生成する一方で、間引き読み出しモードの場合には、シフトパルスφＶ（１）〜φＶ（ｎ）のうちの間引く行のシフトパルスはスルーして生成せずに間引かない行（読み出すべき行）のシフトパルスのみを生成するようになっている。タイミング発生回路２２からの信号によって垂直シフトレジスタ３５が駆動されることによって、全行読み出しモード及び間引き読み出しモードのいずれの場合も、垂直シフトレジスタ３５のシフトパルス発生周期は１水平期間とされる。

この比較例による固体撮像装置５４では、これによって、画素部２１の画素ＰＸの読み出すべき行（全画素読み出しモードの場合には全行、間引き読み出しモードの場合には間引かない行）に関して、１行目からｎ行目の方向に、各行の画素から信号が順次読み出される。したがって、この比較例では、全行読み出しモードの場合には、１行目、２行目、３行目、４行目、・・・、ｎ−１行目、ｎ行目の画素ＰＸが、その順序で順次読み出されことになる。

図７は、図６に示す固体撮像装置５４のグローバルシャッタ動作を示すタイミングチャートであり、図５に対応している。図７において、図５中の要素と同一又は対応する要素には同一符号を付し、その重複する説明は省略する。図７に示す動作においても、図５に示す動作例と同じく、全行が読み出し対象行とされる全行読み出しモードで読み出し動作が行われる。

図７に示す比較例による固体撮像装置５４のグローバルシャッタ動作が図５に示す固体撮像装置４のグローバルシャッタ動作と異なる所は、図５に示す動作例では、１行目、ｎ行目、２行目、ｎ−１行目、３行目、ｎ−２行目、・・・、（ｎ／２）行目、（ｎ／２）＋１行目の順に読み出されるのに対し、図７に示す動作では、１行目、２行目、３行目、４行目、・・・、ｎ−１行目、ｎ行目の順に読み出される点のみである。

図７に示す動作も図５に示す動作と同じく、ｊ行目の画素ＰＸのフォトダイオードＰＤには、グローバルリセットの期間Ｔ１１の終了時点からｊ行目の選択期間における転送トランジスタＴＸのオン期間の開始時点（φ（ｊ）の立ち上がり時点）までの期間において、暗電流に起因するノイズ電荷が蓄積され得る。

図７に示す動作では、１行目、２行目、３行目、４行目、・・・、ｎ−１行目、ｎ行目の順に読み出されるので、下側の回路部４１に近い下側の行については、暗電流に起因するノイズ電荷が蓄積され得る期間が長くなってしまう。したがって、下側の回路部４１に近い下側の行については、下側の回路部４１から当該行へ熱が伝播してから読み出しまでの時間が長くなってしまう。このため、画素部２１の下側の行については、下側の回路部４１から伝播してきた熱に起因する暗電流ノイズが多く露光電荷に重畳されてしまう。その結果、画素部２１の下側に設けられた回路部４１から発生する熱に依存する暗電流の影響が大きくなってしまい、得られる画像の下側においていわば白浮きが発生してしまい、その画質が低下してしまう。特に、画素ＰＸの数が多くて行数が多い場合や、高速化等に伴って回路部４１の発熱量が大きい場合には、その画質低下が大きくなる。

これに対し、図５に示す動作では、１行目、ｎ行目、２行目、ｎ−１行目、３行目、ｎ−２行目、・・・、（ｎ／２）行目、（ｎ／２）＋１行目の順に読み出されるので、前述したとおり、上下の回路部４１から画素部２１の各行へ伝播してくる熱が到達する以前に当該行から読み出すことができるか、あるいは、上下の回路部４１から画素部２１の各行へ伝播してから読み出しまでの時間を短くすることができる。このため、本実施の形態によれば、画素部２１の周辺に設けられた回路部４１から発生する熱に依存する暗電流の影響を低減することができ、前記比較例のような白浮きを防止又は低減することができ、得られる画像の画質を向上させることができるのである。

図８（ａ）は、図６に示す固体撮像装置５４と同様の固体撮像装置について、入射光を遮光した状態で図７に示すグローバルシャッタ動作と同様の動作を行わせることによって実際に得られた各行の画像信号のレベルを、示している。図８（ｂ）は、図２に示す固体撮像装置４と同様の固体撮像装置について、入射光を遮光した状態で図５に示すグローバルシャッタ動作と同様の動作を行わせることによって実際に得られた各行の画像信号のレベルを、示している。

比較例に係る図８（ａ）では、得られる画像の下側（ｎ行側）において画素信号のレベルが大きくなって白浮きが発生しているのに対し、本実施の形態に係る図８（ｂ）では、得られる画像の下側（ｎ行側）を含む画像の全体において画素信号のレベルが大きくならずに白浮きが発生していない。

また、比較例において白浮きが発生した画像を画像処理で補正する手法を採用することで、画質を向上させることも可能であるが、その場合には、当該補正のための画像処理回路等を要する。本実施の形態では、比較例に対して、各行の読み出し順序を変えるだけであるので、そのような画像処理回路等を要しない。このため、本実施の形態では、電子カメラ１のシステム全体の回路規模を小さくすることができるので、コスト削減にも寄与し、システム全体の発熱も押さえることが可能となる。もっとも、本実施の形態において、前記補正のための画像処理回路等を併用することで、更に画質を向上させることも可能である。

図９は、図２に示す固体撮像装置４のローリングシャッタ動作の一例を示すタイミングチャートである。ローリングシャッタ動作中は、メカニカルシャッタ（図示せず）は開状態に維持される。図９に示す動作例では、全行が読み出し対象行とされる全行読み出しモードで読み出し動作が行われるものとしているが、ローリングシャッタ動作において、例えば、電子ビューファインダーモード時や動画撮影時などでは、実現したい動画規格（Ｆｕｌｌ ＨＤ、ＨＤ等）やフレームレート（３０ｆｐｓ、６０ｆｐｓ等）によって、選ばられた行のみを読み出し対象とする間引き読み出しモードとしてもよい。なお、静止画撮影時に、図９に示すような全行読み出しモードでのローリングシャッタ動作を行ってもよい。

図９に示すローリングシャッタ動作では、１行目、ｎ行目、２行目、ｎ−１行目、３行目、ｎ−２行目、・・・、（ｎ／２）行目、（ｎ／２）＋１行目の順に、各行について順次同じ動作が行われる。そこで、ここでは、１行目の動作についてのみ説明する。なお、図９は、１行目、ｎ行目、２行目、ｎ−１行目についての動作を示している。

まず、１行目のφＲＥＳがハイ（Ｈ）となっている間に１行目のφＴＸがハイ（Ｈ）、ロー（Ｌ）とされることによりフォトダイオードＰＤ及びフローティングディフュージョンＦＤがリセットされる。所定時間経過後に１行目のφＳＥＬがハイ（Ｈ）とされて、１行目の選択トランジスタＳＥＬがオンとされる。１行目のφＳＥＬのハイ（Ｈ）の開始時点から一定時間だけ１行目のφＲＥＳがハイ（Ｈ）にされてフローティングディフュージョンＦＤのレベルが基準レベルにリセットされ、その後１行目のφＲＥＳがロー（Ｌ）にされる。次いで、フローティングディフュージョンＦＤの基準レベルに応じたレベル（ダークレベル）が、１行目の増幅トランジスタＡＭＰから垂直信号線２７を介してＣＤＳ回路２９にクランプされる。

次いで、１行目のφＴＸが再度ハイ（Ｈ）、ロー（Ｌ）とされる。これにより、１行目のフォトダイオードＰＤに蓄積されていた電荷がフローティングディフュージョンＦＤに転送される。その後、基準レベルとこの電荷による信号の重畳された信号に応じたレベルの信号が、１行目の増幅トランジスタＡＭＰから垂直信号線２７を介してＣＤＳ回路２９にクランプされる。そして、ＣＤＳ回路２９によって、ここでクランプされた信号と先のダークレベルとの差分信号が取得される。そして、各ＣＤＳ回路２９で取得された前記差分信号がＡ／Ｄ変換器３０にてデジタル信号に変換され、水平読み出し回路３１によって外部（図１中のデジタル信号処理部６）へ出力される。

１行目のφＲＥＳがハイ（Ｈ）となっている間に１行目のφＴＸがハイ（Ｈ）からロー（Ｌ）とされる時点から、次に１行目のφＴＸがハイ（Ｈ）にされる時点までの期間が、１行目の露光期間となる。各行の露光期間は、同じ長さであるが、１行目、ｎ行目、２行目、ｎ−１行目、３行目、ｎ−２行目、・・・、（ｎ／２）行目、（ｎ／２）＋１行目の順にずれていく。

以上の説明からわかるように、１行目、ｎ行目、２行目、ｎ−１行目、３行目、ｎ−２行目、・・・、（ｎ／２）行目、（ｎ／２）＋１行目の順に画素ＰＸのフォトダイオードＰＤがリセットされるとともに、１行目、ｎ行目、２行目、ｎ−１行目、３行目、ｎ−２行目、・・・、（ｎ／２）行目、（ｎ／２）＋１行目の順に画素ＰＸから信号が読み出される。

図１０は、図６に示す固体撮像装置５４のローリングシャッタ動作を示すタイミングチャートであり、図９に対応している。図１０において、図９中の要素と同一又は対応する要素には同一符号を付し、その重複する説明は省略する。図１０に示す動作においても、図９に示す動作例と同じく、全行が読み出し対象行とされる全行読み出しモードで読み出し動作が行われるものとしている。

図１０に示す比較例による固体撮像装置５４のローリングシャッタ動作が図９に示す固体撮像装置４のローリングシャッタ動作と異なる所は、図９に示す動作例では、１行目、ｎ行目、２行目、ｎ−１行目、３行目、ｎ−２行目、・・・、（ｎ／２）行目、（ｎ／２）＋１行目の順に同じ動作が行われるのに対し、図１０に示す動作では、１行目、２行目、３行目、４行目、・・・、ｎ−１行目、ｎ行目の順に同じ動作が行われる点のみである。

図９に示す動作例においても図１０に示す動作においても、いずれの行に関しても、フォトダイオードＰＤがリセットされた時点から転送トランジスタＴＸのオン期間の開始時点までの期間の長さは同一であるため、暗電流の影響を受け難い。しかしながら、静止画撮影などにおいてこれらの動作を行う場合においては、比較例に係る図１０に示す動作では上下の回路部４１から伝播してきた熱に起因する暗電流の影響が比較的大きくなって画質が低下するのに対し、本実施の形態に係る図９に示す動作例では上下の回路部４１から伝播してきた熱に起因する暗電流の影響が比較的小さくなって画質を向上させることができる。

本実施の形態に係る図９に示す動作例では、比較例に係る図１０に示す動作よりもローリング歪みが目立ち難くなるという利点も得られる。例えば、図１１（ａ）に示すように図中右方向へ進行する長方形の被写体を比較例に係る図１０に示す動作で撮像した場合には、図１１（ｂ）に示すように被写体像は全体的に斜めになった平行四辺形状となり、ローリング歪みが比較的目立ち易い。これに対し、図１１（ａ）に示すように図中右方向へ進行する長方形の被写体を本実施の形態に係る図９に示す動作例で撮像した場合には、図１１（ｃ）に示すように被写体像は上側及び下側に比べて中央付近が右方向へずれたような形状となり、ローリング歪みが比較的目立ち難い。

なお、回路部４１へ供給する電圧を下げると、回路部４１からの発熱量が低減され、上下の回路部４１から伝播してきた熱に起因する暗電流の影響がより低減するため、好ましい。特に、動画撮影の場合には、回路部４１からの発熱量が多くなるので、回路部４１へ供給する電圧を下げることが好ましい。

以上、本発明の実施の形態及びその変形例について説明したが、本発明はこれらに限定されるものではない。

例えば、前記実施の形態では、グローバルシャッタ動作及びローリングシャッタ動作の両方に本発明の行読み出し順序を適用しているが、本発明では、グローバルシャッタ動作及びローリングシャッタ動作のいずれか一方にのみ本発明の行読み出し順序を適用し、他方の動作は前記比較的と同じ行読み出し順序を採用してもよい。

また、本発明は、全行読み出しモードや間引き読み出しモードに限らず、複数の行の画素の信号を加算又は混合して読み出す加算又は混合読み出しモードを行い得るように構成された固体撮像装置にも、適用することができる。

１ 電子カメラ
４ 固体撮像装置
２１ 画素部
２２ タイミング発生回路
２３ 垂直走査回路
３２ 上側垂直シフトレジスタ
３３ 下側垂直シフトレジスタ
４１ 回路部

Claims (8)

1. ２次元状に配置された複数の画素と、
   前記複数の画素のうちの前記複数の画素の列方向の中央付近の行の画素から信号を読み出すよりも先に、前記複数の画素のうちの前記列方向の一方側の行の画素及び他方側の行の画素から信号を読み出すように、前記複数の画素を制御する制御手段と、
   を備えたことを特徴とする固体撮像装置。
2. 作動時に発熱する回路部が、前記複数の画素が配置されている画素部に対する前記列方向の両側にそれぞれ配置されたことを特徴とする請求項１記載の固体撮像装置。
3. 前記制御手段は、前記複数の画素のうちの同一行の画素からの信号の読み出しタイミングが同一であるとともに、前記複数の画素のうちの異なる行の画素からの信号の読み出しタイミングが異なるように、前記複数の画素を制御することを特徴とする請求項１又は２記載の固体撮像装置。
4. 前記複数の画素の読み出すべき行に関して、前記列方向の前記一方側と前記他方側とをｋ（ｋは１以上の整数）行ずつ交互に選択しつつ選択された側において当該選択された側の最も端から順次選択されたｋ行のうちの各行の画素から信号を順次読み出すように、前記複数の画素を制御することを特徴とする請求項３記載の固体撮像装置。
5. ｋが１であり、
   前記制御部は、前記列方向の前記一方側の行を選択するための第１のシフトパルスを生成する第１のシフトレジスタと、前記列方向の前記他方側の行を選択するための第２のシフトパルスを生成する第２のシフトレジスタとを有し、
   前記第１及び第２のシフトレジスタは、前記第１のシフトパルスの発生周期と前記第２のシフトパルスの発生周期とが同一であるとともに、前記第１のシフトパルスの発生タイミングと前記第２のシフトパルスの発生タイミングとが前記発生周期の半周期だけずれるように、駆動される、
   ことを特徴とする請求項４記載の固体撮像装置。
6. 前記制御手段は、グローバルシャッタ動作において、前記複数の画素のうちの複数の画素の列方向の中央付近の行の画素から信号を読み出すよりも先に、前記複数の画素のうちの前記列方向の一方側の行の画素及び他方側の行の画素から信号を読み出すように、前記複数の画素を制御することを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の固体撮像装置。
7. 前記制御手段は、ローリングシャッタ動作において、前記複数の画素のうちの複数の画素の列方向の中央付近の行の画素をリセットするよりも先に、前記複数の画素のうちの前記列方向の一方側の行の画素及び他方側の行の画素をリセットするように、かつ、前記複数の画素のうちの複数の画素の列方向の中央付近の行の画素から信号を読み出すよりも先に、前記複数の画素のうちの前記列方向の一方側の行の画素及び他方側の行の画素から信号を読み出すように、前記複数の画素を制御することを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載の固体撮像装置。
8. 請求項１乃至７のいずれかに記載の固体撮像装置を備えたことを特徴とする電子カメラ。