JP7243805B2 - 撮像素子、及び撮像装置 - Google Patents

Description

本発明は、撮像素子、及び撮像装置に関する。

グローバル電子シャッタ方式で駆動する撮像素子が知られている（特許文献１参照）。このような撮像素子では、ローリング電子シャッタ方式による信号読出しを行うことが困難である。

日本国特開２０１２－８４６４４号公報

発明の第１の態様によると、撮像素子は、光を光電変換して電荷を生成する光電変換部と、前記光電変換部で生成された電荷を保持する保持部と、前記光電変換部で生成された電荷を蓄積する蓄積部と、前記光電変換部で生成された電荷を前記蓄積部へ転送する第１転送路と、前記光電変換部で生成された電荷を前記蓄積部へ前記保持部を介して転送する第２転送路と、をそれぞれ有し、第１方向および前記第１方向と交差する第２方向に配置される複数の画素と、前記第１転送路による電荷の転送を行うローリングシャッタ方式の第１制御と、前記第２転送路による電荷の転送を行うローリングシャッタ方式の第２制御と、前記第２転送路による電荷の転送を行うグローバルシャッタ方式の第３制御を行う制御部と、を備える。

デジタルカメラの構成例を示す図である。 撮像素子の概要を説明する図である。 撮像素子の画素の構成を説明する回路図である。 画素における各部の配置を例示する図である。 グローバルシャッタ動作における全体のタイミングを説明する図である。 グローバルシャッタ動作時に各画素に供給される各種制御信号を説明するタイムチャートである。 図７（ａ）および図７（ｂ）は、他のグローバルシャッタ動作における全体のタイミングを説明する図である。 グローバル電子シャッタ動作時に各画素に供給される各種制御信号を説明するタイムチャートである。 ローリングシャッタ動作における全体のタイミングを説明する図である。 図１０（ａ）は、第１のローリングシャッタ動作時において、蓄積期間の開始時の各種制御信号を説明するタイムチャートであり、図１０（ｂ）は、蓄積期間から読出しへ移行時の各種制御信号を説明するタイムチャートである。 図１１（ａ）は、第２のローリングシャッタ動作時において、蓄積期間の開始時の各種制御信号を説明するタイムチャートであり、図１１（ｂ）は、蓄積期間から読出しへ移行時の各種制御信号を説明するタイムチャートである。 図１２（ａ）は、第３のローリングシャッタ動作時において、蓄積期間の開始時の各種制御信号を説明するタイムチャートであり、図１２（ｂ）は、蓄積期間から読出しへ移行時の各種制御信号を説明するタイムチャートである。

本実施の形態による撮像素子は、グローバル電子シャッタ方式の動作（以下、グローバルシャッタ動作）と、ローリング電子シャッタ方式の動作（以下、ローリングシャッタ動作と称する）とを行うことが可能に構成される。グローバルシャッタ動作は、撮像素子に備わるフォトダイオードのリセットや、フォトダイオードにおける電荷の生成などを全ての行（すなわち全画素）において同時に行う駆動方式をいう。グローバルシャッタ動作の場合、各画素の蓄積開始のタイミングを同じにできるため、各行において蓄積の同時性を有する。

一方、ローリングシャッタ動作は、撮像素子に備わるフォトダイオードのリセットや、フォトダイオードにおける電荷の生成などを行毎に行う駆動方式をいう。ローリングシャッタ動作の場合、各行の蓄積時間（電荷の生成時間）が同じでも、蓄積開始のタイミングが行毎に異なるため、各行において蓄積の同時性はない。

以下、図面を参照して詳細に説明する。
図１は、一実施の形態による撮像素子１０１を備えるデジタルカメラの構成例を模式的に示す図である。デジタルカメラは、交換レンズ１１０とカメラボディ１００とから構成され、交換レンズ１１０がレンズ取り付け部１０５を介してカメラボディ１００に装着される。
なお、デジタルカメラをレンズ交換式ではなく、レンズ一体式のカメラとして構成してもよい。

交換レンズ１１０は、例えば、レンズ制御部１１１、ズームレンズ１１２、フォーカスレンズ１１３、防振レンズ１１４、絞り１１５、レンズ操作部１１６などを備えている。レンズ制御部１１１は、ＣＰＵとメモリなどの周辺部品とを含む。レンズ制御部１１１は、フォーカスレンズ１１３および絞り１１５の駆動制御、ズームレンズ１１２やフォーカスレンズ１１３の位置検出、カメラボディ１００へのレンズ情報の送信およびカメラボディ１００からのカメラ情報の受信などを行う。

カメラボディ１００は、例えば、撮像素子１０１、ボディ制御部１０２、ボディ操作部１０３、および表示部１０４などを備えている。撮像素子１０１は、交換レンズ１１０の予定結像面（予定焦点面）に配置され、交換レンズ１１０により結像された被写体像を光電変換する。ボディ操作部１０３は、シャッターボタンや、各種設定のための操作部材などを含む。表示部１０４は、例えばカメラボディ１００の背面に搭載された液晶モニタ（背面モニタとも称される）によって構成される。

ボディ制御部１０２は、ＣＰＵとメモリなどの周辺部品とを含む。ボディ制御部１０２は、撮像素子１０１の駆動制御、撮像素子１０１からの画像信号の読み出し、焦点検出演算および交換レンズ１１０の焦点調節、画像信号の処理および記録などデジタルカメラの動作制御を行う。また、ボディ制御部１０２は、レンズ取り付け部１０５に設けられた電気接点１０６を介してレンズ制御部１１１と通信を行い、レンズ情報の受信およびカメラ情報（デフォーカス量や絞り値など）の送信を行う。

交換レンズ１１０を通過した光束により、撮像素子１０１の受光面上に被写体像が形成される。この被写体像は撮像素子１０１によって光電変換され、光電変換後の信号がボディ制御部１０２へ送られる。

ボディ制御部１０２は、撮像素子１０１からの信号に基づいて公知の焦点検出演算を行うことにより、交換レンズ１１０の焦点調節状態（デフォーカス量）を検出する。ボディ制御部１０２によって検出されたデフォーカス量は、レンズ制御部１１１へ送出される。
レンズ制御部１１１は、受信したデフォーカス量に基づいてフォーカスレンズ１１３の駆動量を算出する。そして、算出した駆動量に基づいて不図示のモーター等を駆動することにより、フォーカスレンズ１１３を合焦位置へ移動させる。

また、ボディ制御部１０２は、撮像素子１０１からの信号を処理して画像データを生成し、不図示のメモリカードに格納する。ボディ制御部１０２はさらに、撮像素子１０１からの信号に基づくモニタ用画像（スルー画像とも称される）を表示部１０４に表示させる。

＜撮像素子の構成＞
図２は、撮像素子１０１の概要を説明する模式図である。撮像素子１０１は、ＣＭＯＳイメージセンサによって構成される。撮像素子１０１は、画素エリア２０１と、垂直制御部２０２と、水平制御部２０３と、出力部２０４と、制御部２０５とを有する。なお、図２では、電源部や詳細回路は省略している。

画素エリア２０１には、例えば水平方向（行方向）および垂直方向（列方向）に二次元状に配置された複数の画素を有する。各画素は、入射光量に応じた電荷を生成するフォトダイオード（光電変換部）を有する。複数の画素は、それぞれが垂直制御部２０２および水平制御部２０３によって駆動され、各画素のフォトダイオードで生成された電荷に基づく信号が、垂直信号線２１０を介して読出される。

出力部２０４は、各画素から読出された信号に対して相関二重サンプリング（ＣＤＳ）を行ったり、必要に応じてゲインをかけたりする。出力部２０４で処理された信号は、後段の信号処理部（不図示）へ出力される。

なお、以上の説明では、出力部２０４が後段の信号処理部へアナログ信号として出力する例を説明したが、出力部２０４にＡ／Ｄコンバータを備え、Ａ／Ｄ変換後の信号をデジタル出力する構成にしてもよい。
また、出力部２０４は、垂直信号線２１０を介して読出された信号を、後段の信号処理部へ並列に出力する例を図示したが、出力部２０４において水平転送した上で、一つずつ後段の信号処理部へ出力するように構成してもよい。

制御部２０５は、上述した撮像素子１０１の各部を制御する。すなわち、以降に説明する撮像素子１０１のグローバルシャッタ動作、ローリングシャッタ動作は、ボディ制御部１０２の指令を受けた制御部２０５の制御に基づいて行われる。
なお、本実施の形態では、フォトダイオードと、フォトダイオードで生成された電荷に基づく信号を読出す読出し部とを含めて「画素」と呼ぶ。読出し部は、後述する各転送トランジスタ、フローティングディフュージョン（ＦＤ）領域、増幅トランジスタ、および選択トランジスタを含む例を説明するが、読出し部の範囲は、必ずしも本例の通りでなくてもよい。

図３は、撮像素子１０１の単位画素３０の構成を説明する回路図である。図３では、１つの画素３０につき、フォトダイオードＰＤと、拡散容量ＳＣと、６つのトランジスタ（拡散容量転送トランジスタＭＥＭ、第１の転送トランジスタＴｘ１、第２の転送トランジスタＴｘ２、リセットトランジスタＲＳＴ、増幅トランジスタＳＦ、選択トランジスタＳＥＬ）と、ＦＤ領域とを有する。画素３０の各部は、図３に示すように接続されている。図３において符号ＶＤＤは、電源電圧を示す。

拡散容量転送トランジスタＭＥＭは、フォトダイオードＰＤで生成された電荷を拡散容量ＳＣへ転送する。拡散容量転送トランジスタＭＥＭは、フォトダイオードＰＤで生成された電荷を拡散容量ＳＣへ転送するための電極である。拡散容量転送トランジスタＭＥＭは、制御信号φＭＥＭがＨｉｇｈレベルになるとオンして電荷を転送し、制御信号φＭＥＭがＬｏｗレベルになるとオフする。拡散容量ＳＣは、拡散容量転送トランジスタＭＥＭによってフォトダイオードＰＤから転送された電荷を保持する電荷保持部として機能する。

第１の転送トランジスタＴｘ１は、拡散容量ＳＣに保持されている電荷をＦＤ領域へ転送する。第１の転送トランジスタＴｘ１は、制御信号φＴｘ１がＨｉｇｈレベルになるとオンして電荷を転送し、制御信号φＴｘ１がＬｏｗレベルになるとオフする。

ＦＤ領域は、転送された電荷を電圧に変換する。増幅トランジスタＳＦは、ソースフォロワ回路を形成し、ＦＤ領域の電位に応じた信号を増幅する。リセットトランジスタＲＳＴは、ＦＤ領域や、拡散容量ＳＣ、フォトダイオードＰＤの電荷をリセットする。リセットの動作の詳細については後述する。

選択トランジスタＳＥＬは、行選択用のトランジスタであり、増幅トランジスタＳＦで増幅された信号を、対応する垂直信号線２１０へ出力する。選択トランジスタＳＥＬは、制御信号φＳＥＬがＨｉｇｈレベルになるとオンして信号を出力し、制御信号φＳＥＬがＬｏｗレベルになるとオフする。

第２の転送トランジスタＴｘ２は、フォトダイオードＰＤで生成された電荷をＦＤ領域へ転送する。第２の転送トランジスタＴｘ２は、制御信号φＴｘ２がＨｉｇｈレベルになるとオンして電荷を転送し、制御信号φＴｘ２がＬｏｗレベルになるとオフする。

図４は、画素３０における各部の配置を例示する図である。フォトダイオードＰＤの横に拡散容量転送トランジスタＭＥＭ（拡散容量ＳＣ）が配置される。拡散容量転送トランジスタＭＥＭ（拡散容量ＳＣ）は、遮光されている。ＦＤ領域は、第１の転送トランジスタＴｘ１を介して拡散容量転送トランジスタＭＥＭ（拡散容量ＳＣ）に接続されるとともに、第２の転送トランジスタＴｘ２を介してフォトダイオードＰＤに接続される。

また、ＦＤ領域は、増幅トランジスタＳＦの制御端子と接続されるとともに、リセットトランジスタＲＳＴを介して電源ＶＤＤと接続される。増幅トランジスタＳＦの出力端子は、選択トランジスタＳＥＬを介して垂直信号線２１０と接続される。

上述したように、撮像素子１０１は、グローバルシャッタ動作とローリングシャッタ動作とを行うことが可能である。タイムチャートを参照して、それぞれの動作タイミングを説明する。以降の説明において、蓄積時間（電荷の生成時間）は、ボディ制御部１０２が公知の露出演算に基づいて決定する露光時間、または、ユーザがボディ操作部１０３を操作することによって決定された露光時間に対応する。また、蓄積期間の開始から終了までの時間が蓄積時間である。

＜グローバルシャッタ動作＞
図５は、グローバルシャッタ動作の全体のタイミングを説明する図である。図５において、縦軸は画素エリア２０１（図２）に設けられた画素行、横軸は時間を示している。第ＰフレームにおいてフォトダイオードＰＤをリセットする時刻ｔ１から、フォトダイオードＰＤで生成された電荷を拡散容量ＳＣへ転送する時刻ｔ２までの間が、第Ｐフレームの蓄積時間に相当する。フォトダイオードＰＤから拡散容量ＳＣへ電荷を転送後、行毎に拡散容量ＳＣから電荷の読出しが行われる。図５によれば、グローバルシャッタ動作では、ＰＤリセット時点（ｔ１）からＰＤ→ＳＣ転送時点（ｔ２）までの蓄積時間は各行で同時性がある。拡散容量ＳＣからの電荷の読出しは行毎に行うため、読出し期間においては行間で時間差が生じる。

次フレームである第Ｐ＋１フレームにおいてフォトダイオードＰＤをリセットする時刻ｔ１’から、フォトダイオードＰＤで生成された電荷を拡散容量ＳＣへ転送する時刻ｔ２’までの間が、第Ｐ＋１フレームの蓄積時間に相当する。フォトダイオードＰＤから拡散容量ＳＣへ電荷を転送後に、行毎に拡散容量ＳＣからの電荷の読出しを行う点は、第Ｐフレームの場合と同様である。

図６は、グローバルシャッタ動作時に撮像素子１０１の各画素３０に供給される各種制御信号を説明するタイムチャートである。１フレーム期間は、蓄積期間と読出し期間とで構成される。
１．蓄積期間
制御部２０５は、画素エリア２０１（図２）内の全画素３０に対して同時に蓄積を行わせるとともに、蓄積期間の始めにフォトダイオードＰＤのリセットを行わせる。
図６において、制御部２０５の指示により、制御信号φＲＳＴとしてＨｉｇｈレベルのリセットパルスがリセットトランジスタＲＳＴに供給される。これにより、リセットトランジスタＲＳＴがオンしてＦＤ領域の電位がリセットされる。

続いて、制御部２０５の指示により、制御信号φＴｘ２としてＨｉｇｈレベルのパルスが第２の転送トランジスタＴｘ２に供給される。これにより、第２の転送トランジスタＴｘ２がオンしてフォトダイオードＰＤに存在する不要電荷が排出される（ＰＤリセット）。
撮像素子１０１に対して第２の転送トランジスタＴｘ２を設けたことにより、第２の転送トランジスタＴｘ２を設けない場合と比べてフォトダイオードＰＤのリセットを短時間で行うことができる。
リセット後のフォトダイオードＰＤは、入射光量に応じた電荷を生成し、蓄積する。

蓄積中において、制御部２０５の指示により、制御信号φＲＳＴとしてＨｉｇｈレベルのリセットパルスがリセットトランジスタＲＳＴに供給される。これにより、リセットトランジスタＲＳＴがオンしてＦＤ領域の電位がリセットされる。続いて、制御部２０５の指示により、制御信号φＴｘ１としてＨＩＧＨレベルのパルスが第１の転送トランジスタＴｘ１に供給される。これにより、第１の転送トランジスタＴｘ１がオンして拡散容量ＳＣに存在する不要電荷が排出される（ＳＣリセット）。

拡散容量ＳＣのリセット後において、制御部２０５の指示により、制御信号φＭＥＭとしてＨｉｇｈレベルのパルスが拡散容量転送トランジスタＭＥＭに供給される。これにより、拡散容量転送トランジスタＭＥＭがオンしてフォトダイオードＰＤの電荷が拡散容量ＳＣへ転送される。フォトダイオードＰＤから拡散容量ＳＣへの電荷転送により、蓄積期間が終了する。

２．読出し期間
制御部２０５は、画素エリア２０１（図２）内の全画素３０の拡散容量ＳＣから、行毎に順次電荷を読出す。図６において、破線で囲んだ範囲が読出し期間である。図６では１行分の読出しを説明する波形のみを図示して他の行の読出し波形の図示を省略したが、同様の読出しが行毎に行われる。

図６において、制御部２０５の指示により、Ｈｉｇｈレベルの制御信号φＳＥＬが、選択トランジスタＳＥＬに所定時間、供給される。これにより、選択トランジスタＳＥＬが所定期間、オンする。また、制御信号φＲＳＴとしてＨｉｇｈレベルのリセットパルスがリセットトランジスタＲＳＴに供給される。これにより、リセットトランジスタＲＳＴがオンしてＦＤ領域の電位がリセットされる。そして、制御部２０５により、一点鎖線Ｄａｒｋで示す時点で、リセットレベルの信号が対応する垂直信号線２１０を介して読出される。

続いて、制御部２０５の指示により、制御信号φＴｘ１としてＨｉｇｈレベルの転送パルスが第１の転送トランジスタＴｘ１に供給される。これにより、第１の転送トランジスタＴｘ１がオンして拡散容量ＳＣの電荷がＦＤ領域へ転送される。そして、制御部２０５により、一点鎖線Ｓｉｇで示す時点で、シグナルレベルの信号が対応する垂直信号線２１０を介して読出される。

（他の動作例）
図５においては、１フレーム分の蓄積期間の終了を待ってから、読出し期間を開始し、読出し期間の終了を待ってから、次フレームの蓄積期間を開始した。
図５に代えて、前フレームの信号の読出し期間の終了を待たずに、次フレームの蓄積期間を開始するようにしてもよい。図７（ａ）および図７（ｂ）は、どちらも他のグローバルシャッタ動作における全体のタイミングを説明する図である。例えば、連続して静止画を撮影する連写モードに設定されている場合や、動画を撮影する動画モードに設定されている場合には、図７（ａ）または図７（ｂ）によるタイミングでグローバルシャッタ動作を行うとよい。

図７（ａ）は、蓄積時間＞読出し時間が成立する場合を説明する図であり、縦軸は画素エリア２０１（図２）に設けられた画素行、横軸は時間を示している。図７（ａ）によれば、第Ｐフレームの信号の読出し期間の終了を待たずに、時刻ｔ１’において第Ｐ＋１フレームの蓄積が開始される。すなわち、第Ｐ＋１フレームの蓄積と第Ｐフレームの信号の読出しが並行して行われる。このため、図７（ａ）においては第Ｐ＋１フレームの蓄積期間の中に第Ｐフレームの信号の読出し期間が含まれている。

図７（ｂ）は、蓄積時間＜読出し時間が成立する場合を説明する図であり、縦軸は画素エリア２０１（図２）に設けられた画素行、横軸は時間を示している。図７（ｂ）において、第Ｐフレームの信号の読出し期間の終了を待たずに第Ｐ＋１フレームの蓄積を開始する点は図７（ａ）と同様であるが、第Ｐ＋１フレームの蓄積期間において拡散容量ＳＣに存在する不要電荷を排出（ＳＣリセット）する前に、第Ｐフレームの信号の読出し期間が終了するように、第Ｐフレームの蓄積期間の終了時刻ｔ２からの経過時間を図７（ａ）の場合よりも延ばした時刻ｔ１’において第Ｐ＋１フレームの蓄積が開始される。すなわち、第Ｐフレームの信号の読出し期間の開始よりも第Ｐ＋１フレームの蓄積の開始が遅い。この場合、時刻ｔ１’は前フレームの信号の読出し期間内となるので、第Ｐ＋１フレームの蓄積期間の開始時においてフォトダイオードＰＤに存在する不要電荷を排出（ＰＤリセット）する間、第Ｐフレームの信号の読出しを一旦中断し、ＰＤリセット後に再開させる。

図８は、図７（ａ）に対応するグローバルシャッタ動作時に撮像素子１０１の各画素３０に供給される各種制御信号を説明するタイムチャートである。図６と同様に、破線で囲んだ範囲が読出し期間である。図８では１行分の読出しを説明する波形のみを図示して他の行の読出し波形の図示を省略したが、同様の読出しが行毎に行われる。
図８を図６と比較すると、第Ｐフレームに対する読出しを開始する前に、第Ｐ＋１フレームの蓄積が開始され、フォトダイオードＰＤに存在する不要電荷が排出（ＰＤリセット）される。

図７（ｂ）に対応するグローバルシャッタ動作時のタイムチャートは図示を省略するが、図８における第Ｐ＋１フレームのＰＤリセットが、第Ｐフレームに対する読出し期間内（破線で囲んだ範囲）において行われる。このため、図７（ｂ）を参照して説明したように、第Ｐフレームの信号の読出しを一旦中断させて、中断している間に第Ｐ＋１フレームのＰＤリセットを行わせる。

＜ローリングシャッタ動作＞
図９は、ローリングシャッタ動作の全体のタイミングを説明する図である。図９において、縦軸は画素エリア２０１（図２）に設けられた画素行、横軸は時間を示している。例えば、第Ｐフレームの第１行においてフォトダイオードＰＤをリセットした時刻ｔ１から、第１行のフォトダイオードＰＤで生成された電荷をＦＤ領域へ転送する時刻ｔ１ｅまでの間が、第１行の蓄積時間に相当する。フォトダイオードＰＤからＦＤ領域へ電荷を転送した後は、この電荷に基づく信号の読出しが行われる。以上の動作が行毎に行われる。第Ｎ行においてフォトダイオードＰＤをリセットした時刻ｔＮから、第Ｎ行のフォトダイオードＰＤで生成された電荷をＦＤ領域へ転送する時刻ｔＮｅまでの間が、第Ｎ行の蓄積時間に相当する。

図９によれば、ローリングシャッタ動作では、第１行から第Ｎ行までの蓄積時間が同じでも各行の蓄積に同時性はなく、行間で時間差が生じる。次フレームである第Ｐ＋１フレーム以降も同様である。
本実施の形態では、３通りのローリングシャッタ動作が可能である。第１のローリング動作は、フォトダイオードＰＤの電荷が飽和した場合に溢れた電荷を拡散容量ＳＣに蓄積し、フォトダイオードＰＤおよび拡散容量ＳＣの電荷を同時にＦＤ領域へ転送する動作である。ＦＤ領域の容量に余裕がある場合に適しており、ダイナミックレンジをかせぐことができる。なお、ＦＤ領域の容量は撮像素子１０１の設計時に決定される。

第２のローリング動作は、フォトダイオードＰＤの電荷を拡散容量ＳＣに転送し、拡散容量ＳＣからＦＤ領域へ電荷を転送する動作である。ＦＤ領域の容量に余裕がなくても、ダイナミックレンジをかせぐことができる。

第３のローリング動作は、拡散容量転送トランジスタＭＥＭ（拡散容量ＳＣ）を経由せずに、フォトダイオードＰＤの電荷を直接ＦＤ領域へ転送する動作である。いずれのローリングシャッタ動作の場合も、全体のタイミングは図９に説明した通りである。

（第１のローリング動作）
図１０（ａ）および図１０（ｂ）は、第１のローリングシャッタ動作時において、撮像素子１０１の各画素３０に供給される各種制御信号を説明するタイムチャートである。図１０（ａ）は、蓄積期間の開始時の各種制御信号を説明するタイムチャートであり、図１０（ｂ）は、蓄積期間から読出しへ移行時の各種制御信号を説明するタイムチャートである。

図１０（ａ）において、制御部２０５は、画素エリア２０１（図２）内の画素行に対して順番に蓄積を行わせるとともに、蓄積期間の始めにフォトダイオードＰＤおよび拡散容量ＳＣのリセットを行わせる。具体的には、制御部２０５の指示により、制御信号φＲＳＴとしてＨｉｇｈレベルのリセットパルスがリセットトランジスタＲＳＴに供給される。これにより、リセットトランジスタＲＳＴがオンしてＦＤ領域の電位がリセットされる。

続いて、制御部２０５の指示により、制御信号φＴｘ１および制御信号φＴｘ２として、それぞれＨｉｇｈレベルのパルスが第１の転送トランジスタＴｘ１および第２の転送トランジスタＴｘ２に供給される。Ｈｉｇｈレベルのパルスが第２の転送トランジスタＴｘ２に供給されることにより、第２の転送トランジスタＴｘ２がオンしてフォトダイオードＰＤに存在する不要電荷が排出される（ＰＤリセット）。また、Ｈｉｇｈレベルのパルスが第１の転送トランジスタＴｘ１に供給されることにより、第１の転送トランジスタＴｘ１がオンして拡散容量ＳＣに存在する不要電荷が排出される（ＳＣリセット）。

さらに、制御部２０５の指示により、制御信号φＭＥＭが、拡散容量転送トランジスタＭＥＭの電極を中間電圧にするように制御される。拡散容量転送トランジスタＭＥＭの電極を中間電圧にするのは、フォトダイオードＰＤから拡散容量ＳＣへ電荷を溢れさせるためである。すなわち、リセット後のフォトダイオードＰＤが入射光量に応じた電荷を生成し、蓄積するが、仮にフォトダイオードＰＤが飽和して電荷が溢れる場合には、溢れた電荷を拡散容量ＳＣに蓄積する。フォトダイオードＰＤと拡散容量ＳＣとに電荷を蓄積するようにしたので、ダイナミックレンジをかせぐことができる。

図１０（ｂ）において、制御部２０５は、蓄積期間の終期にＦＤ領域のリセットを行わせる。具体的には、制御部２０５の指示により、制御信号φＲＳＴとしてＨｉｇｈレベルのリセットパルスがリセットトランジスタＲＳＴに供給される。これにより、リセットトランジスタＲＳＴがオンしてＦＤ領域の電位がリセットされる。そして、制御部２０５により、一点鎖線Ｄａｒｋで示す時点で、リセットレベルの信号が対応する垂直信号線２１０を介して読出される。

第１のローリングシャッタ動作では、生成された電荷をフォトダイオードＰＤおよび拡散容量ＳＣからＦＤ領域へ一度に転送する。具体的には、制御部２０５の指示により、制御信号φＴｘ１および制御信号φＴｘ２として、それぞれＨｉｇｈレベルの転送パルスが第１の転送トランジスタＴｘ１および第２の転送トランジスタＴｘ２に供給される。これにより、第１の転送トランジスタＴｘ１がオンして拡散容量ＳＣに蓄積されている電荷がＦＤ領域へ転送される。並行して、第２の転送トランジスタＴｘ２がオンしてフォトダイオードＰＤに蓄積されている電荷がＦＤ領域へ転送される。ＦＤ領域への電荷転送により、蓄積期間が終了する。そして、制御部２０５により、一点鎖線Ｓｉｇで示す時点で、シグナルレベルの信号が対応する垂直信号線２１０を介して読出される。

（第２のローリング動作）
図１１（ａ）および図１１（ｂ）は、第２のローリングシャッタ動作時において、撮像素子１０１の各画素３０に供給される各種制御信号を説明するタイムチャートである。図１１（ａ）は、蓄積期間の開始時の各種制御信号を説明するタイムチャートであり、図１１（ｂ）は、蓄積期間から読出しへ移行時の各種制御信号を説明するタイムチャートである。

図１１（ａ）において、制御部２０５は、画素エリア２０１（図２）内の画素行に対して順番に蓄積を行わせるとともに、蓄積期間の始めにフォトダイオードＰＤおよび拡散容量ＳＣのリセットを行わせる。制御信号φＲＳＴと、制御信号φＴｘ１および制御信号φＴｘ２の波形は、図１０（ａ）の場合と同様である。図１１（ａ）において図１０（ａ）と相違する点は、拡散容量転送トランジスタＭＥＭの電極を中間電圧にしない点である。このように構成すると、リセット後に入射光量に応じた電荷を生成し、蓄積するフォトダイオードＰＤが飽和しても、電荷が拡散容量ＳＣへ溢れることはない。

図１１（ｂ）において、制御部２０５は、蓄積期間の終期にＦＤ領域のリセットを行わせる。制御信号φＲＳＴの波形は、図１０（ｂ）の場合と同様である。制御部２０５により、一点鎖線Ｄａｒｋで示す時点で、リセットレベルの信号が対応する垂直信号線２１０を介して読出される。

第２のローリングシャッタ動作では、生成された電荷をフォトダイオードＰＤから拡散容量ＳＣへ、さらに拡散容量ＳＣからＦＤ領域へとリレー形式で転送する。このために、第１の転送トランジスタＴｘ１をオンさせる前に、拡散容量転送トランジスタＭＥＭをオンさせる点と、第２の転送トランジスタＴｘ２をオンさせない点とが、図１０（ｂ）と相違する。

制御部２０５の指示により、制御信号φＭＥＭとしてＨｉｇｈレベルのパルスが拡散容量転送トランジスタＭＥＭに供給されると、拡散容量転送トランジスタＭＥＭがオンしてフォトダイオードＰＤに蓄積されている電荷が拡散容量ＳＣへ転送される。フォトダイオードＰＤから拡散容量ＳＣへの電荷転送により、蓄積期間が終了する。その後、制御信号φＴｘ１として、Ｈｉｇｈレベルの転送パルスが第１の転送トランジスタＴｘ１に供給されると、第１の転送トランジスタＴｘ１がオンして拡散容量ＳＣに蓄積されている電荷がＦＤ領域へ転送される。そして、制御部２０５により、一点鎖線Ｓｉｇで示す時点で、シグナルレベルの信号が対応する垂直信号線２１０を介して読出される。

（第３のローリング動作）
図１２（ａ）および図１２（ｂ）は、第３のローリングシャッタ動作時において、撮像素子１０１の各画素３０に供給される各種制御信号を説明するタイムチャートである。図１２（ａ）は、蓄積期間の開始時の各種制御信号を説明するタイムチャートであり、図１２（ｂ）は、蓄積期間から読出しへ移行時の各種制御信号を説明するタイムチャートである。

図１２（ａ）において、制御部２０５は、画素エリア２０１（図２）内の画素行に対して順番に蓄積を行わせるとともに、蓄積期間の始めにフォトダイオードＰＤおよび拡散容量ＳＣのリセットを行わせる。制御信号φＲＳＴと、制御信号φＴｘ１および制御信号φＴｘ２の波形は、図１１（ａ）の場合と同様である。

図１２（ｂ）において、制御部２０５は、蓄積期間の終期にＦＤ領域のリセットを行わせる。制御信号φＲＳＴの波形は、図１１（ｂ）の場合と同様である。制御部２０５により、一点鎖線Ｄａｒｋで示す時点で、リセットレベルの信号が対応する垂直信号線２１０を介して読出される。

第３のローリングシャッタ動作では、拡散容量転送トランジスタＭＥＭ（拡散容量ＳＣ）を用いることなしに、生成された電荷をフォトダイオードＰＤからＦＤ領域へと直接転送する。このために、第１の転送トランジスタＴｘ１および拡散容量転送トランジスタＭＥＭをオンさせない点と、第２の転送トランジスタＴｘ２をオンさせる点とが、図１１（ｂ）と相違する。

制御部２０５の指示により、制御信号φＴｘ２として、Ｈｉｇｈレベルの転送パルスが第２の転送トランジスタＴｘ２に供給されると、第２の転送トランジスタＴｘ２がオンしてフォトダイオードＰＤに蓄積されている電荷がＦＤ領域へ転送される。フォトダイオードＰＤからＦＤ領域への電荷転送により、蓄積期間が終了する。そして、制御部２０５により、一点鎖線Ｓｉｇで示す時点で、シグナルレベルの信号が対応する垂直信号線２１０を介して読出される。

ボディ制御部１０２は、上述した撮像素子１０１に対し、設定されているモードによりグローバルシャッタ動作を行わせるか、あるいは、ローリングシャッタ動作を行わせるかを決定する。例えば、ボディ制御部１０２は、シャッターボタンが押下されると静止画を撮影する単写モード、シャッターボタンが押下されている間に静止画を連続して撮影する連写モードに設定された場合には、撮像素子１０１にグローバルシャッタ動作を行わせる。静止画撮影の場合にローリングシャッタ動作を行うと、いわゆるローリングシャッタ歪み（動く被写体が歪んで写ること）が目立ちやすいからである。
一方、ボディ制御部１０２は、動画モードに設定された場合には、撮像素子１０１にローリングシャッタ動作を行わせる。
なお、動画を撮影する動画モードに設定された場合でも、撮像素子１０１にグローバルシャッタ動作を行わせてもよい。

また、例えば、ボディ制御部１０２は、輝度が高い被写体から輝度が低い被写体を階調豊かに撮影する広ダイナミックレンジ（ＨＤＲ）モードに設定された場合には、撮像素子１０１に第１のローリングシャッタ動作または第２のローリングシャッタ動作を行わせる。第１のローリングシャッタ動作と第２のローリングシャッタ動作は、適宜選択してかまわない。

上述した実施の形態によれば、次の作用効果が得られる。
（１）撮像素子１０１が備える複数の画素３０は、それぞれ、光を光電変換して電荷を生成するフォトダイオードＰＤと、フォトダイオードＰＤで生成された電荷を蓄積するＦＤ領域と、フォトダイオードＰＤで生成された電荷を保持する拡散容量ＳＣと、電荷をフォトダイオードＰＤからＦＤ領域へ転送する第１転送路（第２の転送トランジスタＴｘ２）と、電荷を、拡散容量ＳＣを介してフォトダイオードＰＤからＦＤ領域へ転送する第２転送路（第１の転送トランジスタＴｘ１）とを有する。このように構成したので、フォトダイオードＰＤで生成された電荷を二つの転送ルートによりフォトダイオードＰＤからＦＤ領域へ転送することができる。このため、例えばグローバルシャッタ動作や、ローリングシャッタ動作を適切に行わせることが可能になる。

（２）撮像素子１０１の第１転送路（第２の転送トランジスタＴｘ２）は、フォトダイオードＰＤから電荷を排出する経路を兼ねるようにしたので、拡散容量ＳＣを介してフォトダイオードＰＤからＦＤ領域へ転送する第２転送路のみを有する場合と比べて、短時間でフォトダイオードＰＤから電荷を排出（リセット）することができる。

（３）撮像素子１０１の複数の画素３０は、行方向および列方向に配置され、複数の行において電荷の排出が同時に行われるグローバルシャッタ動作、または、複数の行において電荷の排出が行毎に行われるローリングシャッタ動作により駆動制御されるように構成したので、二つの電子シャッタ動作を適切に行わせることが可能になる。

（４）撮像素子１０１は、グローバルシャッタ動作を行う場合には、第２転送路（第１の転送トランジスタＴｘ１）が選択されると、複数の行の画素３０において、フォトダイオードＰＤで生成された電荷が同時に拡散容量ＳＣへ転送され、拡散容量ＳＣへ転送された電荷が行毎にＦＤ領域へ転送される。このように構成したので、適切にグローバルシャッタ動作を行わせることができる。

（５）グローバルシャッタ動作を行う場合の撮像素子１０１は、複数の行の画素３０において、フォトダイオードＰＤで生成された電荷が拡散容量ＳＣへ転送されると、拡散容量ＳＣからＦＤ領域への転送が開始される前に、複数の行の画素３０において電荷の排出が行われるように構成したので、次のフレームのための光電変換をより早く開始させることができる。

（６）撮像素子１０１は、第１のローリングシャッタ動作を行う場合には、第１転送路（第２の転送トランジスタＴｘ２）および第２転送路（第１の転送トランジスタＴｘ１）が選択されると、複数の行の画素３０において、フォトダイオードＰＤで生成された電荷が行毎に、第１転送路によりＦＤ領域へ転送されるとともに、第２転送路により拡散容量ＳＣを介してＦＤ領域蓄積部へ転送される。このように構成したので、第１のローリングシャッタ動作において、２つのルートにより並行して効率よく電荷を転送することができる。

（７）第１のローリングシャッタ動作を行う場合、撮像素子１０１の拡散容量ＳＣは、フォトダイオードＰＤから溢れた電荷を保持するように構成したので、フォトダイオードＰＤから溢れた電荷を無駄に捨ててしまう場合よりもダイナミックレンジをかせぐことができる。

（８）撮像素子１０１は、第２のローリングシャッタ動作を行う場合には、第２転送路（第１の転送トランジスタＴｘ１）選択されると、複数の画素３０のフォトダイオードＰＤで生成された電荷が行毎に、拡散容量ＳＣへ転送され、拡散容量ＳＣへ転送された電荷がＦＤ領域へ転送される。このように構成したので、拡散容量ＳＣを介さないで転送する場合と比べてダイナミックレンジをかせぐことができる。（９）撮像素子１０１は、第３のローリングシャッタ動作を行う場合には、第１転送路（第２の転送トランジスタＴｘ２）が選択されると、複数の画素３０のフォトダイオードＰＤで生成された電荷が行毎に、ＦＤ領域へ転送される。このように構成したので、上記（６）から（８）とは異なる態様でローリングシャッタ動作を行わせることができる。

以上の説明では、撮像素子１０１をデジタルカメラに搭載する例を説明したが、撮像素子１０１は、デジタルカメラ以外にもスマートフォンやタブレット端末、ウェアラブル端末等の電子機器に搭載してもよい。

本発明は、上述した実施形態の内容に限定されるものではない。本発明の技術的思想の範囲内で考えられるその他の態様も本発明の範囲内に含まれる。

次の優先権基礎出願の開示内容は引用文としてここに組み込まれる。
日本国特許出願２０１７年第１９２１６７号（２０１７年９月２９日出願）

３０…画素
１００…カメラボディ
１０１…撮像素子
１０２…ボディ制御部
２０１…画素エリア
２０２…垂直制御部
２０３…水平制御部
２０４…出力部
２０５…制御部
２１０…垂直信号線
ＭＥＭ…拡散容量転送トランジスタ
ＰＤ…フォトダイオード
ＳＣ…拡散容量
ＳＦ…増幅トランジスタ
Ｔｘ１…第１の転送トランジスタ
Ｔｘ２…第２の転送トランジスタ

Claims (12)

1. 光を光電変換して電荷を生成する光電変換部と、前記光電変換部で生成された電荷を保持する保持部と、前記光電変換部で生成された電荷を蓄積する蓄積部と、前記光電変換部で生成された電荷を前記蓄積部へ転送する第１転送路と、前記光電変換部で生成された電荷を前記蓄積部へ前記保持部を介して転送する第２転送路と、をそれぞれ有し、第１方向および前記第１方向と交差する第２方向に配置される複数の画素と、
   前記第１転送路による電荷の転送を行うローリングシャッタ方式の第１制御と、前記第２転送路による電荷の転送を行うローリングシャッタ方式の第２制御と、前記第２転送路による電荷の転送を行うグローバルシャッタ方式の第３制御を行う制御部と、
   を備える撮像素子。
2. 請求項１に記載の撮像素子において、
   前記第１転送路は、ローリングシャッタ方式である前記第１制御において、前記第１方向に配置された複数の前記画素の電荷の転送を同時に行い、
   前記第２転送路は、ローリングシャッタ方式である前記第２制御において、前記第１方向に配置された複数の前記画素の電荷の転送を同時に行い、グローバルシャッタ方式である前記第３制御において、前記第１方向および前記第２方向に配置された複数の前記画素の電荷の転送を同時に行う撮像素子。
3. 請求項１または請求項２に記載の撮像素子において、
   前記第１転送路は、前記第１制御と前記第３制御とにおいて、前記光電変換部から電荷を排出する経路となり、
   前記第２転送路は、前記第２制御において、前記光電変換部から電荷を排出する経路となる撮像素子。
4. 請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の撮像素子において、
   前記第１転送路は、前記第１制御において、前記第１方向に配置された複数の前記画素の電荷の排出を行い、前記第３制御において、前記第１方向および前記第２方向に配置された複数の前記画素の電荷の排出を行い、
   前記第２転送路は、前記第２制御において、前記第１方向に配置された複数の前記画素の電荷の排出を行う撮像素子。
5. 請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の撮像素子において、
   前記第２転送路は、前記第３制御において、前記第１方向および前記第２方向に配置された複数の前記画素の電荷を前記保持部へ転送し、前記第１方向に配置された複数の前記画素毎に、前記保持部へ転送された電荷を前記蓄積部へ転送する撮像素子。
6. 請求項５に記載の撮像素子において、
   前記第１方向に配置された複数の前記画素の電荷が前記保持部へ転送されると、前記保持部から前記蓄積部への転送が開始される前に、前記第１方向に配置された複数の前記画素において電荷の排出が行われる撮像素子。
7. 請求項１から請求項６のいずれか一項に記載の撮像素子において、
   前記第１転送路は、前記第１制御において、前記第１方向に配置された複数の前記画素毎に、前記第１方向に配置された複数の前記画素の電荷を前記蓄積部へ転送し、
   前記第２転送路は、前記第２制御において、前記第１方向に配置された複数の前記画素毎に、前記第１方向に配置された複数の前記画素の電荷を、前記保持部を介して前記蓄積部へ転送する撮像素子。
8. 請求項７に記載の撮像素子において、
   前記保持部は、前記第２制御において、前記光電変換部から溢れた電荷を保持する撮像素子。
9. 請求項７に記載の撮像素子において、
   前記第２転送路は、前記第２制御において、前記第１方向に配置された複数の前記画素毎に、前記画素の電荷を前記保持部へ転送し、前記保持部へ転送した電荷を前記蓄積部へ転送する撮像素子。
10. 請求項１から請求項９のいずれか一項に記載の撮像素子において、
    前記光電変換部と前記保持部は、前記第１方向に設けられ、
    前記光電変換部と前記蓄積部とは、前記第２方向に設けられる撮像素子。
11. 請求項１０に記載の撮像素子において、
    前記第１方向において前記保持部と前記蓄積部との間に設けられ、前記第２転送路を形成するための第１転送部と、
    前記第２方向において前記光電変換部と前記蓄積部との間に設けられ、前記第１転送路を形成するための第２転送部と、
    を備える撮像素子。
12. 請求項１から請求項１１のいずれか一項に記載の撮像素子と、
    前記撮像素子から出力された信号に基づいて画像データを生成する生成部と、を備える撮像装置。

Images