特開 2024-138859 撮像素子、撮像装置、撮像素子の制御方法、および撮像装置の制御方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024138859

(43)【公開日】2024-10-09

(54)【発明の名称】撮像素子、撮像装置、撮像素子の制御方法、および撮像装置の制御方法

(51)【国際特許分類】

   H04N 25/70 20230101AFI20241002BHJP

   H04N 25/771 20230101ALI20241002BHJP

   H04N 25/77 20230101ALI20241002BHJP

   H04N 25/17 20230101ALI20241002BHJP

   H01L 27/146 20060101ALI20241002BHJP

   H04N 23/88 20230101ALI20241002BHJP

【ＦＩ】

H04N25/70

H04N25/771

H04N25/77

H04N25/17

H01L27/146 E

H04N23/88

【審査請求】未請求

【請求項の数】11

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023049570

(22)【出願日】2023-03-27

(71)【出願人】

【識別番号】000131326

【氏名又は名称】株式会社シグマ

(72)【発明者】

【氏名】高倉 稜平

(72)【発明者】

【氏名】村上 雄祐

(72)【発明者】

【氏名】横地 貴紀

【テーマコード（参考）】

4M118

5C024

5C066

【Ｆターム（参考）】

4M118AA01

4M118AA02

4M118AA05

4M118AA10

4M118AB01

4M118BA07

4M118BA14

4M118CA03

4M118CA14

4M118CA22

4M118CA27

4M118DD04

4M118DD09

4M118FA06

4M118GC08

5C024CX41

5C024EX43

5C024GX03

5C024GX07

5C024GX16

5C024GX18

5C024GY31

5C024GY39

5C024HX51

5C066AA01

5C066CA13

5C066EA15

5C066GA01

5C066KE03

5C066KM02

(57)【要約】

【課題】１画素に複数の受光部を積層して備える画素を有する撮像素子において、開口率を低下させることなく層毎に電荷保持部の静電容量を調整することで読み出し回路に入力する電圧を補正することにより、各層について低光量下におけるノイズを低減することと高光量下における電荷保持部の飽和を防止することを両立した撮像素子を提供する。
【解決手段】本発明に係る撮像素子は、複数の画素を備える撮像素子であって、画素は、複数の光電変換層を積層してなる光電変換部と、光電変換層と同じ数の電荷転送部と、１つの電荷保持部と、１つ以上の付加容量部と、電荷保持部と付加容量部との接続を切り替える付加容量部と同じ数のスイッチを備えることを特徴とする。
【選択図】図２

【特許請求の範囲】

【請求項1】

複数の画素を備える撮像素子であって、前記画素は、
複数の光電変換層を積層してなる光電変換部と、前記光電変換層と同じ数の電荷転送部と、１つの電荷保持部と、１つ以上の付加容量部と、前記電荷保持部と前記付加容量部との接続を切り替える前記付加容量部と同じ数のスイッチを備えることを特徴とする撮像素子。

【請求項2】

前記光電変換部は前記光電変換層を３つ積層してなり、３つの前記光電変換層の光電変換波長域がそれぞれ異なることを特徴とする請求項１に記載の撮像素子。

【請求項3】

前記１つの電荷保持部と前記１つ以上の付加容量部は並列に接続されていることを特徴とする請求項１に記載の撮像素子。

【請求項4】

前記１つ以上の付加容量部の容量はそれぞれ異なることを特徴とする請求項３に記載の撮像素子。

【請求項5】

請求項１乃至４に記載の撮像素子を備える撮像装置であって、
前記撮像素子が出力する画像信号から画像信号の特徴量を取得する特徴量取得部と、前記特徴量から被写体の分光特性を推定する機能を備える分光特性推定部と前記分光特性推定部の推定結果に基づいて前記スイッチの制御を行う読み出し制御部を備える撮像装置。

【請求項6】

前記複数の光電変換層が生成した電荷量に対応する色信号値を取得する色信号取得部を備え、
前記特徴量取得部は、前記色信号取得部であり、前記特徴量は、前記色信号値であることを特徴とする請求項５に記載の撮像装置。

【請求項7】

ホワイトバランスゲインを算出可能なホワイトバランス制御部を備え、
前記特徴量取得部は、前記ホワイトバランス制御部であり、前記特徴量は、前記ホワイトバランスゲインであることを特徴とする請求項５に記載の撮像装置。

【請求項8】

複数の光電変換層を積層してなる光電変換部と、前記光電変換層と同じ数の電荷転送部と、１つの電荷保持部と、１つ以上の付加容量部と、前記電荷保持部と前記付加容量部との接続を切り替える前記付加容量部と同じ数のスイッチを備えた画素を複数備える撮像素子の制御方法であって、
前記電荷保持部と前記付加容量部との接続を切り替えるステップと、
前記電荷転送部のうち１つを選択し、対応する前記光電変換層が生成した電荷を前記電荷保持部と前記電荷保持部に接続された前記付加容量部に転送し、電荷を電圧に変換するステップを有することを特徴とする撮像素子の制御方法。

【請求項9】

複数の光電変換層を積層してなる光電変換部を備え、前記複数の光電変換層が取得する電荷からの電荷電圧変換効率を変更可能な撮像素子と、前記撮像素子が出力する画像信号から画像信号の特徴量を取得する特徴量取得部と、前記特徴量から被写体の分光特性を推定する分光特性推定部と、前記分光特性推定部の推定結果に基づいて前記複数の光電変換層が生成した電荷の電荷電圧変換効率を変更する読み出し制御部を備える撮像装置の制御方法であって、
前記複数の光電変換層が取得した電荷からの電荷電圧変換効率を初期値に変更するステップと、
前記特徴量取得部が前記撮像素子の出力する画像信号から前記特徴量を取得するステップと、
前記分光特性推定部が前記特徴量から被写体の分光特性を推定するステップと、
分光特性の推定結果に基づいて前記複数の光電変換層が取得する電荷からの電荷電圧変換効率を変更するステップを有することを特徴とする撮像装置の制御方法。

【請求項10】

前記複数の光電変換層が生成した電荷量に対応する色信号値を取得する色信号取得部を備え、
前記特徴量取得部は、前記色信号取得部であり、
前記特徴量取得部が前記撮像素子の出力する画像信号から前記特徴量を取得するステップは、前記色信号を取得するステップを含むことを特徴とする請求項９に記載の撮像装置の制御方法。

【請求項11】

ホワイトバランスゲインを算出可能なホワイトバランス制御部を備え、
前記特徴量取得部は、前記ホワイトバランス制御部であり、
前記特徴量取得部が前記撮像素子の出力する画像信号から前記特徴量を取得するステップは、前記ホワイトバランスゲインを算出するステップを含むことを特徴とする請求項９に記載の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、撮像素子、撮像装置、撮像素子の制御方法、および撮像装置の制御方法に関する。

【背景技術】

【0002】

従来、デジタルカメラやビデオカメラなどの撮像装置に利用される撮像素子として、ＣＭＯＳ（Ｃｏｍｐｌｅｍｅｎｔａｒｙ Ｍｅｔａｌ－Ｏｘｉｄｅ－Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）イメージセンサが実用に供されている。

【0003】

また、ＣＭＯＳイメージセンサの一種として、１画素に複数のフォトダイオードを積層して備えた撮像素子が知られている。

【0004】

１画素に複数のフォトダイオードを積層して備える撮像素子においては、フォトダイオードの材料として用いられるシリコンの特性である波長が短い光を吸収しやすい性質を利用して光電変換を行っている。例えば、３層に重ねたフォトダイオードの上部層で青い光を吸収し、中間層で緑の光を吸収し、下部層で赤の光を吸収し、それぞれ光を電気信号に変換することで、１画素から青（Ｂ）、緑（Ｇ）、赤（Ｒ）の色信号を検出することができる。このような光電変換方式を採用したイメージセンサは、垂直色分離型センサと呼ばれている。

【0005】

前述のように、積層して配置したフォトダイオードの各層によって色信号を検出する場合、各層の形状は所望の分光特性を得るために異なることがある。例えば、厚みを変えることによって特定の波長範囲の光を多く吸収するということがある。各層の形状が異なると、各層が蓄積可能な電荷の最大量（飽和容量）は層毎に異なることになる。

【0006】

このように、１画素に飽和容量の異なる複数のフォトダイオードが存在する場合、各フォトダイオードに合わせた画素回路を用意するか、画素回路の出力電圧範囲の上限を最も飽和容量の大きいフォトダイオードに合わせて共通化することで画素から信号を取得することが考えられる。

【0007】

各フォトダイオードに合わせた画素回路を用意する場合、１画素に各層毎のトランジスタを配置することになり、画素の開口率が低下することから感度の低下に繋がり好ましくない。

【0008】

画素回路の出力電圧範囲の上限を最も飽和容量の大きいフォトダイオードに合わせて共通化する場合、飽和容量の小さいフォトダイオードは、画素回路の出力電圧範囲を使い切ることができないので、ＳＮ比の観点で不利である。

【0009】

また、一般的にＣＭＯＳイメージセンサにおいては、フォトダイオードで発生した電荷について、電荷保持部である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はフォトダイオードから流入した電荷を電圧に変換し、電圧を読み出し回路が読み出すことで光電変換を行っている。

【0010】

フローティングディフュージョンにおける電荷を電圧に変換する際の効率、すなわち電子１個がフローティングディフュージョンに流入した際に発生する電圧のことを、電荷電圧変換効率あるいは単に変換効率と呼ぶ。変換効率は、フローティングディフュージョンの静電容量（キャパシタンス）によって決まり、静電容量が大きいほど変換効率が低い。

【0011】

ここで、フォトダイオードで発生した電荷が少ない場合、変換効率が高ければ画素回路から読み出し回路への出力電圧は大きくなるが、変換効率が高すぎるとフォトダイオードが飽和しない場合においてもフローティングディフュージョンが飽和してしまう。また、フォトダイオードで発生した電荷が少ない場合で変換効率が低い場合、フローティングディフュージョンで得られる電圧に対して回路上で発生するノイズが相対的に大きくなってしまい、良好な画像信号を得られない。

【0012】

一方、フォトダイオードで発生した電荷が多い場合、変換効率が低くなければ変換効率が高すぎる場合と同様にフローティングディフュージョンが飽和してしまう。

【0013】

特許文献１には、半導体の厚さ方向に沿う方向に４層以上の光電変換層を積層して形成した光電変換部を備え、４層以上の光電変換層は、少なくとも２層が略同等の第１の分光特性を有し、少なくとも１層が第１の分光特性と異なる第２の分光特性を有し、少なくとも１層が第１の分光特性及び第２の分光特性と異なる第３の分光特性を有する固体撮像装置が開示されている。特許文献１に開示された固体撮像装置によれば、固体撮像装置において広ダイナミックレンジを実現しつつ、画素レベルで空間的や時間的なズレを生じさせずに済むとされている。

【0014】

また、特許文献２には、４つ以上の光電変換部のうちの２つ以上の光電変換部の出力にそれぞれ基づく各信号を異なるタイミングで受ける垂直信号線と、垂直信号線の信号又はこれに応じた信号を増幅する可変ゲインアンプと、可変ゲインアンプのゲインを、可変ゲインアンプが増幅する信号が対応する光電変換部の分光感度特性に応じて制御するゲイン制御部と、を備えた固体撮像装置が開示されている。特許文献２に開示された固体撮像素子によれば、解像度を落とすことなく色再現を優先した撮像を行うことができる固体撮像素子を提供することができるとされている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0015】

【特許文献1】特開２０１９－０９１７３３号公報

【特許文献2】特許第５１４６４９９号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0016】

しかしながら、特許文献１に開示された技術は、層毎の飽和容量の差や、飽和容量の差による信号レベルの違いを調整することについては考慮されていない。

【0017】

また、特許文献２に開示された回路構成においては、可変ゲインアンプに信号が到達する前にソースフォロワトランジスタ（ＳＦトランジスタ）などで混入するノイズについても可変ゲインアンプによって増幅されてしまうため、低光量下におけるＳＮ比を改善するには不十分である。

【0018】

また、いずれの文献においても、被写体の分光特性に基づく変換効率の制御については課題が残る。例えば、夕焼けのシーンを撮影する場合において、赤色に対応するフォトダイオードからは十分な信号量が得られるが、緑色と青色に対応するフォトダイオードからは十分な信号量を得られない場合がある。各撮影環境において被写体の分光特性に基づく変換効率の制御を行うことで最適な画像信号を取得することが可能な撮像素子が望まれる。

【0019】

本発明は前述のような課題に鑑みてなされたものであり、１画素に複数の光電変換層を積層して備える画素を有する撮像素子において、開口率を低下させることなく層毎に電荷保持部の静電容量を調整することで読み出し回路に入力する電圧を補正することにより、各層について低光量下におけるノイズを低減することと高光量下における電荷保持部の飽和を防止することを両立した撮像素子を提供することを目的としている。

【課題を解決するための手段】

【0020】

前記課題を解決するため、本発明に係る撮像素子は、複数の画素を備える撮像素子であって、画素は、複数の光電変換層を積層してなる光電変換部と、光電変換層と同じ数の電荷転送部と、１つの電荷保持部と、１つ以上の付加容量部と、電荷保持部と付加容量部との接続を切り替える付加容量部と同じ数のスイッチを備えることを特徴とする。

【0021】

また、前記課題を解決するため、本発明に係る撮像素子の制御方法は、複数の光電変換層を積層してなる光電変換部と、光電変換層と同じ数の電荷転送部と、１つの電荷保持部と、１つ以上の付加容量部と、電荷保持部と付加容量部との接続を切り替える付加容量部と同じ数のスイッチを備えた画素を複数備える撮像素子の制御方法であって、電荷保持部と付加容量部との接続を切り替えるステップと、電荷転送部のうち１つを選択し、対応する光電変換層が生成した電荷を電荷保持部と電荷保持部に接続された付加容量部に転送し、電荷を電圧に変換するステップを有することを特徴とする。

【0022】

また、前記課題を解決するため、本発明に係る撮像装置の制御方法は、複数の光電変換層を積層してなる光電変換部を備え、複数の光電変換層が取得する電荷からの電荷電圧変換効率を変更可能な撮像素子と、撮像素子が出力する画像信号から画像信号の特徴量を取得する特徴量取得部と、特徴量から被写体の分光特性を推定する分光特性推定部と、分光特性推定部の推定結果に基づいて複数の光電変換層が生成した電荷の電荷電圧変換効率を変更する読み出し制御部を備える撮像装置の制御方法であって、複数の光電変換層が取得した電荷からの電荷電圧変換効率を初期値に変更するステップと、特徴量取得部が撮像素子の出力する画像信号から特徴量を取得するステップと、分光特性推定部が特徴量から被写体の分光特性を推定するステップと、分光特性の推定結果に基づいて複数の光電変換層が取得する電荷からの電荷電圧変換効率を変更するステップを有することを特徴とする。

【発明の効果】

【0023】

本発明によれば、１画素に複数の光電変換層を積層して備える画素を有する撮像素子において、開口率を低下させることなく層毎に電荷保持部の静電容量を調整することで読み出し回路に入力する電圧を補正することにより、各層について低光量下におけるノイズを低減することと高光量下における電荷保持部の飽和を防止することを両立した撮像素子を提供することが可能となる。さらには、被写体の分光特性に基づく変換効率の制御を行えるため、各撮影環境において最適な画像信号を取得可能な撮像装置を提供できる。

【図面の簡単な説明】

【0024】

【図1】第１の実施形態に係る撮像素子１０を説明する概略図

【図2】第１の実施形態に係る撮像素子１０が備える画素１１の画素回路を示す図

【図3】第１の実施形態に係る撮像素子１０の構成を示すブロック図

【図4】第１の実施形態に係る撮像素子１０の画素１１から色信号を読み出す動作を示すタイミングチャート

【図5】第１の実施形態に係る撮像素子１０を備える撮像装置２０のシステム要部ブロック図

【図6】撮像装置２０が分光特性に応じて変換効率を制御する動作を示すフローチャート

【図7】図６のステップＳ０２において色信号値を取得する場合のフローチャート

【図8】図６のステップＳ０２において色信号値からホワイトバランスゲインを算出する場合のフローチャート

【図9】第２の実施形態に係る撮像素子１０が備える画素１１の画素回路を示す図

【図10】第２の実施形態に係る撮像素子１０の読み出し動作を示すタイミングチャート

【発明を実施するための形態】

【0025】

以下、添付の図面を参照しながら本発明の実施形態について説明する。

【0026】

［第１の実施形態］
図１は第１の実施形態に係る撮像素子１０を説明する概略図である。

【0027】

図１（ａ）は、撮像素子１０が備える画素１１を説明する概略図である。本実施形態に係る画素１１は、撮像素子１０の厚さ方向に沿って複数の光線変換層であるところのフォトダイオードＰＤ１，ＰＤ２，ＰＤ３を積層して形成した光電変換部１２を備えており、いわゆる垂直色分離型センサの構成をとっている。以下、光電変換部１２のフォトダイオードＰＤ１より上を上層、光電変換部１２のフォトダイオードＰＤ３より下を下層と呼ぶ。

【0028】

光電変換部１２は、不図示の基板上に形成されている。また、上層側から下層側へフォトダイオードＰＤ１、ＰＤ２、ＰＤ３の順に積層されている。光電変換部１２の上層には、マイクロレンズを形成して集光率を向上させてもよい。

【0029】

フォトダイオードＰＤ１は、青色の光を主に吸収する分光特性を有している。より具体的には、フォトダイオードＰＤ１の主たる光電変換波長域は青色の光であり、４３０ｎｍ付近の波長の光を多く吸収する分光特性を有している。以下、フォトダイオードＰＤ１をＢ層と呼ぶ場合がある。

【0030】

フォトダイオードＰＤ２は、緑色の光を主に吸収する分光特性を有している。より具体的には、フォトダイオードＰＤ２の主たる光電変換波長域は緑色の光であり、５４０ｎｍ付近の波長の光を多く吸収する分光特性を有している。以下、フォトダイオードＰＤ２をＧ層と呼ぶ場合がある。

【0031】

フォトダイオードＰＤ３は、赤色の光を主に吸収する分光特性を有している。より具体的には、フォトダイオードＰＤ３の主たる光電変換波長域は赤色の光であり、６００ｎｍ付近の波長の光を多く吸収する分光特性を有している。以下、フォトダイオードＰＤ３をＲ層と呼ぶ場合がある。

【0032】

フォトダイオードＰＤ１，ＰＤ２，ＰＤ３は、所望の分光特性を有する材料であれば、特に限定されることなく使用可能である。本実施形態においては、シリコン系の材料を用いている。

【0033】

フォトダイオードＰＤ１，ＰＤ２，ＰＤ３によって、各画素１１における入射光に対する色信号をそれぞれ取得することができる。撮像素子１０全体の各画素１１における色信号を取得することで、画像信号を取得することができる。色信号および画像信号の取得方法についての詳細は後述する。

【0034】

図１（ｂ）は、撮像素子１０を被写体側から見た面を表す概略図である。撮像素子１０はＭ×Ｎ個の画素１１を備えている。図１（ａ）で説明したように、Ｂ層は上層側に配置されているため、被写体側から撮像素子１０を見るとＢ層だけが見えているが、下層側にＧ層、Ｒ層が積層されている。

【0035】

図２は第１の実施形態に係る撮像素子１０が備える画素１１の画素回路を示す図である。画素１１は、図２に示されるように複数の光電変換層であるところのフォトダイオードＰＤ１，ＰＤ２，ＰＤ３と、光電変換層と同じ数の電荷転送部であるところの転送トランジスタＴＸ１，ＴＸ２，ＴＸ３と、電荷保持部ＦＤと、付加容量部Ｃと、電荷保持部ＦＤと付加容量部Ｃとの接続を切り替えるスイッチＳＷを備えている。

【0036】

フォトダイオードＰＤ１～ＰＤ３は、入射光に応じた電荷を生成して蓄積する。転送トランジスタＴＸ１～ＴＸ３は、フォトダイオードＰＤ１～ＰＤ３が蓄積した電荷を電荷保持部ＦＤに転送する。

【0037】

電荷保持部ＦＤは、転送トランジスタＴＸ１～ＴＸ３から転送された電荷を電圧に変換する、いわゆるフローティングディフュージョンである。また、電荷保持部ＦＤは、スイッチＳＷを介して付加容量部Ｃに接続されており、スイッチＳＷのオンまたはオフによって電荷保持部ＦＤと付加容量部Ｃとの接続が切り替え可能に構成されている。スイッチＳＷをオンにすることによって、電荷保持部ＦＤの静電容量を付加容量部Ｃの静電容量分増やすことができる。付加容量部Ｃは、例えば基板上に形成されたＭＯＳキャパシタや、配線層に形成されるＭＩＭキャパシタなどである。その他、配線の寄生容量などを用いてもよい。

【0038】

さらに画素１１は、電荷保持部ＦＤの電位をリセットするリセットトランジスタＲＳＴと、電荷保持部ＦＤが変換した電圧を出力するソースフォロワトランジスタＳＦと、当該画素１１が所在する行を選択するための行選択ゲートＳＥＬとを備えている。

【0039】

画素１１において、転送トランジスタＴＸ１～ＴＸ３と、電荷保持部ＦＤと、付加容量部Ｃと、スイッチＳＷと、リセットトランジスタＲＳＴと、ソースフォロワトランジスタＳＦと、行選択ゲートＳＥＬは、各フォトダイオードに入射する光の光路を避けて配置されている。なお図２において、ＶＤＤは電源である。

【0040】

本実施形態の画素１１が備える画素回路は図２に示すように、各フォトダイオードと各転送トランジスタの組に対して、共通の構成要素が接続される回路構成としている。画素１１に配置する部品点数を削減することで開口率を確保し、フォトダイオードの受光感度の向上を図っている。

【0041】

次に、画素１１が備える画素回路と撮像素子１０が備える回路部との接続について説明する。図３は第１の実施形態に係る撮像素子１０の構成を示すブロック図である。

【0042】

撮像素子１０は画素１１の他に、ＩＭ制御部１３と、垂直駆動部１４と、アナログデジタル変換部ＡＤＣと、水平駆動部１６と、信号処理部１８を備えている。

【0043】

ＩＭ制御部１３は、各画素１１から色信号を読み出すための制御全般を行う。ＩＭ制御部１３は、垂直駆動部１４と水平駆動部１６に接続されている。

【0044】

垂直駆動部１４には、画素１１が備える転送トランジスタＴＸ１～ＴＸ３と、スイッチＳＷと、リセットトランジスタＲＳＴと、行選択ゲートＳＥＬが接続されている。図３においては、画素１１と垂直駆動部１４を接続する垂直制御配線１５は一本の線で表されているが、実際には図２に示すように複数の垂直制御配線１５によって垂直駆動部１４に接続されている。

【0045】

垂直駆動部１４は、ＩＭ制御部１３からの制御信号によって、撮像素子１０の１～Ｍ行のうち任意の行番号が指定され、指定された行の各画素１１における行選択ゲートＳＥＬをオン状態にする。行選択ゲートＳＥＬがオン状態になると、ソースフォロワトランジスタＳＦからは電荷保持部ＦＤによって変換された電圧が出力配線１７に出力される。

【0046】

水平駆動部１６は、ＩＭ制御部１３からの制御信号によって、撮像素子１０の１～Ｎ列から色信号を読み出す。具体的には、垂直駆動部１４が指定した１～Ｍ行のうちの任意の行について、１～Ｎ個の画素１１における出力配線１７から出力される電圧をアナログデジタル変換部ＡＤＣがデジタル値に変換し、信号処理部１８にデジタル値を転送する制御を行う。

【0047】

信号処理部１８がデジタル値を周期的に出力することで、撮像素子１０から各画素１１の色信号が出力される。各画素１１の色信号を取得することで、撮像素子１０全体に対応する一枚の画像信号を取得することができる。以下、画素１１が備える構成によって形成される画素回路と区別するために、撮像素子１０が備えるＩＭ制御部１３、垂直駆動部１４、水平駆動部１６、アナログデジタル変換部ＡＤＣ、信号処理部１８によって形成される回路部を読み出し回路と呼ぶことがある。

【0048】

次に、第１の実施形態に係る撮像素子１０の画素１１から色信号を読み出す動作について図４のタイミングチャートを参照しながら説明する。ここでは、所望の分光特性を得るためにフォトダイオードＰＤ１のみ飽和容量が大きくなるように設計した場合を例にして説明する。

【0049】

図４中の各信号がハイレベルのときに、その信号に対応する構成要素がオン状態になり、ローレベルのときにオフ状態になる。信号レベルがハイまたはローになるタイミングをＴ１～Ｔ２０で示している。ΦＳＥＬは行選択ゲートＳＥＬに、ΦＲＳＴはリセットトランジスタＲＳＴに、ΦＳＷはスイッチＳＷに、ΦＴＸ１～ΦＴＸ３は転送トランジスタＴＸ１～ＴＸ３に対応しており、垂直駆動部１４によって垂直制御配線１５を経由して各構成の制御が行われる。ΦＳは読み出し回路が画素回路側が出力する電圧を読み出すタイミングに対応しており、水平駆動部１６の制御によって、アナログデジタル変換部ＡＤＣが出力配線１７から出力される電圧をデジタル値に変換する制御が行われる。

【0050】

タイミングＴ１において、ΦＳＥＬがハイレベルにされ、行選択ゲートＳＥＬがオン状態となり、ソースフォロワトランジスタＳＦからは電荷保持部ＦＤに対応した電圧が出力される。

【0051】

この時、ΦＳＷも同時にハイレベルにされ、スイッチＳＷがオン状態となる。スイッチＳＷがオン状態であるので、電荷保持部ＦＤと付加容量部Ｃは接続されている状態となり、電荷保持部ＦＤの静電容量は付加容量部Ｃ分拡大される。

【0052】

タイミングＴ１～Ｔ２において、ΦＲＳＴをハイレベルにした後ローレベルにすることで、リセットトランジスタＲＳＴがオンになった後オフ状態となる。タイミングＴ２においてリセットトランジスタＲＳＴがオフ状態になることで、画素回路側からは電荷保持部ＦＤおよび付加容量部Ｃにおける電荷がリセットされた状態に基づく電圧が出力される。

【0053】

タイミングＴ３～Ｔ４において、ΦＳをハイレベルにした後ローレベルにすることで、読み出し回路は画素回路側が出力する電圧を読み出す。この時の電圧は、タイミングＴ１～Ｔ２においてリセットトランジスタＲＳＴによって電荷がリセットされた状態のものである。

【0054】

タイミングＴ５～Ｔ６において、ΦＴＸ１をハイレベルにした後ローレベルにすることで、転送トランジスタＴＸ１をオン状態にし、フォトダイオードＰＤ１に蓄積された電荷を電荷保持部ＦＤに転送する。画素回路側からは、電荷保持部ＦＤおよび付加容量部ＣにおけるフォトダイオードＰＤ１から転送されてきた電荷に基づく電圧が出力される。

【0055】

タイミングＴ６～Ｔ７において、ΦＳをハイレベルにした後ローレベルにすることで、読み出し回路は画素回路側が出力する電圧を読み出す。これによって、フォトダイオードＰＤ１の信号読み出しが完了する。

【0056】

タイミングＴ７～Ｔ８において、ΦＲＳＴをハイレベルにした後ローレベルにすることで、リセットトランジスタＲＳＴがオンになった後オフ状態となる。タイミングＴ８においてリセットトランジスタＲＳＴがオフ状態になることで、画素回路側からは電荷保持部ＦＤおよび付加容量部Ｃにおける電荷がリセットされた状態に基づく電圧が出力される。

【0057】

また、タイミングＴ８において、ΦＳＷをローレベルにすることで、スイッチＳＷをオフ状態にする。スイッチＳＷがオフ状態になることで、電荷保持部ＦＤと付加容量部Ｃの接続は切り離される。

【0058】

タイミングＴ９～Ｔ１０において、ΦＳをハイレベルにした後ローレベルにすることで、読み出し回路は画素回路側が出力する電圧を読み出す。この時の電圧は、タイミングＴ７～Ｔ８においてリセットトランジスタＲＳＴによって電荷がリセットされた状態のものである。

【0059】

タイミングＴ１１～Ｔ１２において、ΦＴＸ２をハイレベルにした後ローレベルにすることで、転送トランジスタＴＸ２をオン状態にし、フォトダイオードＰＤ２に蓄積された電荷を電荷保持部ＦＤに転送する。画素回路側からは、電荷保持部ＦＤにおけるフォトダイオードＰＤ２から転送されてきた電荷に基づく電圧が出力される。

【0060】

タイミングＴ１２～Ｔ１３において、ΦＳをハイレベルにした後ローレベルにすることで、読み出し回路は画素回路側が出力する電圧を読み出す。これによって、フォトダイオードＰＤ２の信号読み出しが完了する。

【0061】

タイミングＴ１３～Ｔ１４において、ΦＲＳＴをハイレベルにした後ローレベルにすることで、リセットトランジスタＲＳＴがオンになった後オフ状態となる。タイミングＴ１４においてリセットトランジスタＲＳＴがオフ状態になることで、画素回路側からは電荷保持部ＦＤにおける電荷がリセットされた状態に基づく電圧が出力される。以下、フォトダイオードＰＤ３の信号読み出しについても、タイミングＴ９～Ｔ１４と同様の処理によって行われる。以上のシーケンスによって画素１１における色信号が取得される。

【0062】

このように、飽和容量の大きいフォトダイオードＰＤ１から信号を読み出す場合には、電荷保持部ＦＤと付加容量部Ｃを接続することで変換効率を低めることにより、フォトダイオードＰＤ１が飽和しない場合においても電荷保持部ＦＤが飽和してしまうこと防ぐ。また、フォトダイオードＰＤ２，ＰＤ３から信号を読み出す場合には電荷保持部ＦＤと付加容量部Ｃとの接続を切り離すことで変換効率を高め、良好な信号を得ることができる。

【0063】

一例としてフォトダイオードＰＤ１のみ飽和容量が大きい場合を想定して説明したが、任意の層の読み出しにおいて電荷保持部ＦＤと付加容量部Ｃとの接続を切り替え可能である。そのため、各フォトダイオードの飽和容量に応じて電荷保持部ＦＤの静電容量を調整可能となり、低光量下におけるノイズを低減することと高光量下における電荷保持部ＦＤの飽和を防止することの両立ができる。

【0064】

また、電荷を電圧に変換する際の変換効率を切り替えることで出力される電圧の大きさを調整しているため、ソースフォロワトランジスタＳＦからアナログデジタル変換部ＡＤＣの間に増幅器を含めない構成を取れる。このため、増幅によってアナログデジタル変換までに回路上で発生するノイズを増大させることが無く、ＳＮ比の改善に有利である。

【0065】

以上に示したように、本発明の第１の実施形態に係る撮像素子１０によれば、各フォトダイオードの飽和容量に応じて電荷保持部ＦＤの静電容量を調整可能である。この撮像素子１０を備えることにより、被写体の分光特性に基づいて変換効率を制御する撮像装置を構成することができる。図５は第１の実施形態に係る撮像素子１０を備える撮像装置２０のシステム要部ブロック図である。ここでは本発明に係る主要な部分についてのみ説明するが、その他の部分については撮像装置に関する周知技術を適宜用いて構成することができる。

【0066】

撮像装置２０は、光学系を含むレンズ装置３０と、撮像素子１０を含むカメラ本体４０によって構成されている。カメラ本体４０は、撮像素子１０と、カメラ制御部４１を備えている。レンズ装置３０とカメラ本体４０は一体型であってもよいし、着脱可能に構成されていてもよい。

【0067】

レンズ装置３０を通して入射した光を撮像素子１０は画像信号として出力する。画像信号とは、前述の通り撮像素子１０全体に対応する各画素１１からの色信号を読み出すことで得られる一枚の画像であり、信号処理部１８からデジタル値で出力される。

【0068】

カメラ制御部４１は、カメラ本体４０およびレンズ装置３０を含む撮像装置２０全体の包括的な制御を行う処理装置である。例えば、ＤＳＰ（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｓｉｇｎａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ）やＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）などのプロセッサや、ＦＰＧＡ（Ｆｉｅｌｄ－Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ Ｇａｔｅ Ａｒｒａｙ）のようなプログラマブルロジックデバイス、あるいはそれらの組み合わせによって構成されている。カメラ制御部４１には、画像処理ブロック５０と、プログラムやデータの保存領域であるＲＯＭ６０と、作業領域であるＲＡＭ７０が含まれている。

【0069】

画像処理ブロック５０は、撮像素子１０からの画像信号を取得し、各種処理を行う。画像処理ブロック５０は、色信号取得部５１と、ホワイトバランス制御部５２と、分光特性推定部５３と、読み出し制御部５４を備えている。

【0070】

色信号取得部５１は、撮像素子１０から出力される画像信号から各画素１１における色信号値を取得する。

【0071】

画像信号における各画素１１の色信号値は、フォトダイオードＰＤ１～ＰＤ３が光電変換することによって得られたアナログ信号を、アナログデジタル変換部ＡＤＣがデジタル値に変換したものであり、（Ｂ，Ｇ，Ｒ）＝（ａ，ｂ，ｃ）のような数値で表されるものである。色信号値（Ｂ，Ｇ，Ｒ）は、アナログデジタル変換部ＡＤＣの分解能に応じてそれぞれ０から上限値までの値を取る。例えば、アナログデジタル変換部ＡＤＣの分解能が８ビットであれば（Ｂ，Ｇ，Ｒ）＝（０，０，０）～（２５５，２５５，２５５）の範囲の値を取る。

【0072】

電荷保持部ＦＤが付加容量部Ｃと接続されているか否かによって変化する変換効率に対応する色信号値は、撮像素子１０製造時の評価によって予め把握されており、ＲＯＭ６０に記憶されている。例えば、各フォトダイオードからの電荷転送時に付加容量部Ｃが接続されていない状態で電荷保持部ＦＤが飽和している状態の色信号値が２００であるといったデータが記憶されている。この信号値は、各フォトダイオードに対して別々に設定されてもよい。

【0073】

また、各フォトダイオードが電荷を蓄積しない場合にも出力される色信号値、すなわち画素回路および読み出し回路で発生するノイズによって出力される色信号値についても、撮像素子１０製造時の評価によって予め把握されており、ＲＯＭ６０に記憶されている。例えば、画素回路および読み出し回路で発生するノイズによって出力される色信号値が１０であるといったデータが記憶されている。ノイズによって出力される色信号値が１０であるので、実際に各フォトダイオードが蓄積した電荷を電荷保持部ＦＤが変換して電圧として出力した色信号値が（Ｂ，Ｇ，Ｒ）＝（１０，１０，１０）以下である場合、実際の色信号は撮影環境において光量が不足している等の理由によりノイズに埋もれている状態になる。

【0074】

ホワイトバランス制御部５２は、色信号取得部５１が取得した色信号値に対応するホワイトバランスゲインの値を算出し、色信号値に算出したホワイトバランスゲインを乗ずることで画像信号のホワイトバランスを制御する。ホワイトバランスゲインの算出方法には公知の技術を用いればよい。例えば、画像信号全体のうちの白色部分の色信号を推定し、当該色信号値を無彩色（Ｂ＝Ｇ＝Ｒ）に補正する値を算出することでホワイトバランスゲインを決定する方法などがある。

【0075】

分光特性推定部５３は、被写体の分光特性に係る特徴量を用いて分光特性を推定する。被写体の分光特性に係る特徴量には、色信号取得部５１が取得した画像信号における色信号値やホワイトバランス制御部５２が算出したホワイトバランスゲインが含まれる。

【0076】

読み出し制御部５４は、撮像素子１０が備えるＩＭ制御部１３に各画素１１の読み出し指示を行う。読み出し指示には、各画素１１について、どのフォトダイオードからの信号を取得する際にスイッチＳＷをオンまたはオフにするかを指示する制御が含まれている。また、分光特性推定部５３の推定結果によって読み出し指示の内容を変更する機能を有している。

【0077】

図６は撮像装置２０が分光特性に応じて変換効率を制御する動作を示すフローチャートである。

【0078】

ステップＳ０１において、読み出し制御部５４はＩＭ制御部１３に対して、各画素１１における各フォトダイオードからの信号読み出し時の変換効率を揃えた状態で色信号を出力するように指示する。変換効率を揃えた状態とは、各画素１１における各フォトダイオードからの信号読み出し時にスイッチＳＷをオン状態とする、または、オフ状態とする制御である。

【0079】

ステップＳ０２において、画像処理ブロック５０は撮像素子１０が出力する画像信号を取得し、画像信号の特徴量を抽出する。

【0080】

撮像素子１０が出力する画像信号からは、被写体の分光特性に関する種々の特徴量を抽出することができる。ステップＳ０２においては、後述する光源推定時のしきい値をどのような特徴量に関するものとして設定するかに応じて、抽出する特徴量を設定する。ここではしきい値として設定する特徴量の例として、画像信号における各画素１１の色信号値を用いる場合と、色信号値に対応して算出されるホワイトバランスゲインの値を用いる場合について説明する。図７はステップＳ０２において色信号取得部５１が色信号値を取得する動作を示すフローチャートである。

【0081】

ステップＳ１１において、色信号取得部５１が撮像素子１０から出力される画像信号における各画素１１の色信号値を取得する。前述の通り、色信号値は（Ｂ，Ｇ，Ｒ）＝（ａ，ｂ，ｃ）のような数値データとして取得される。ステップＳ１１で色信号値を取得完了すると、ステップＳ０３に進む。

【0082】

ステップＳ１１では、取得した色信号値について、撮像素子１０が備える画素１１全体あるいは一部における色信号値（Ｂ，Ｇ，Ｒ）の平均値を算出する処理を含んでもよい。撮像素子１０が備える画素１１の一部を指定する際、オートフォーカスの測距領域に基づいて範囲を指定したり、機械学習による物体認識の結果に基づいて範囲を指定したりすることが可能である。

【0083】

図８はステップＳ０２においてホワイトバランス制御部５２がホワイトバランスゲインを算出する動作を示すフローチャートである。

【0084】

ステップＳ２１において、ステップＳ１１と同様に色信号取得部５１が撮像素子１０から出力される画像信号における各画素１１の色信号値を取得する。

【0085】

ステップＳ２２において、ホワイトバランス制御部５２が色信号取得部５１が取得した各画素１１の色信号値に対してホワイトバランスゲインを算出する。ホワイトバランスゲインの算出が完了するとステップＳ０３に進む。

【0086】

ホワイトバランスゲインは色信号値を無彩色（Ｂ＝Ｇ＝Ｒ）に補正する値であり、（ｋＢ，ｋＧ，ｋＲ）で表す。例えば、画像信号において白色であると推定した部分の色信号値が（Ｂ，Ｇ，Ｒ）＝（１００，５０，５０）であった場合、ホワイトバランスゲイン（ｋＢ，ｋＧ，ｋＲ）＝（１，２，２）とし、ホワイトバランスゲインを色信号値に掛けることでホワイトバランスを補正する。本実施形態においては、一番大きな色信号値（Ｂ値）を基準として他の色信号値（Ｇ値、Ｒ値）に対応するホワイトバランスゲインを算出している。基準となる色信号値の選択は、各フォトダイオードの感度や飽和容量および撮影環境等に応じて決定する方法を取ってもよい。

【0087】

ステップＳ０３において、分光特性推定部５３が被写体の分光特性を推定する。分光特性の推定は、画像信号における特徴量がしきい値の範囲内であるか否かによって行われる。ここでは、色信号取得部５１が取得あるいは算出した色信号値がしきい値の範囲内であるか、または、ホワイトバランス制御部５２が算出したホワイトバランスゲインの値がしきい値の範囲内であるかを判定する。しきい値の範囲内である場合、ステップＳ０５に進む。しきい値の範囲外である場合はステップＳ０４に進む。

【0088】

ここで、ステップＳ０３で判定するしきい値について説明する。

【0089】

まず、色信号取得部５１が取得した色信号値から分光特性を推定する場合について説明する。

【0090】

色信号値から分光特性を推定する場合、しきい値の下限は、ＲＯＭ６０に記憶された画素回路および読み出し回路で発生するノイズによって出力される色信号値である。つまり、取得した色信号がノイズに埋もれていないかどうかを判定する。前述の例において、しきい値の下限は１０である。

【0091】

一方、しきい値の上限は、ＲＯＭ６０に記憶された付加容量部Ｃが接続されていない状態の電荷保持部ＦＤが飽和している状態の色信号の値である。つまり、各フォトダイオードが飽和しない場合においても電荷保持部ＦＤが飽和していないかどうかを判定する。前述の例において、しきい値の上限は２００である。

【0092】

次に、ホワイトバランス制御部５２が算出したホワイトバランスゲインの値から分光特性を推定する場合について説明する。

【0093】

前述のように、画像信号において白色であると推定した部分の色信号値が（Ｂ，Ｇ，Ｒ）＝（１００，５０，５０）であったとする。この場合、ホワイトバランスゲインの値は（ｋＢ，ｋＧ，ｋＲ）＝（１，２，２）となる。

【0094】

Ｂ層の色信号値が大きいことから、対応するフォトダイオードＰＤ１は、飽和容量が大きいあるいは光電変換時の感度が高いことによって蓄積電荷量が多くなっていることがわかる。これにより、Ｇ層に対応するフォトダイオードＰＤ２およびＲ層に対応するフォトダイオードＰＤ３からの信号値との差が生まれている。

【0095】

フォトダイオードの飽和容量が小さい、あるいは、光電変換時の感度が低い場合、電荷保持部ＦＤの変換効率を高めることで画素回路から読み出し回路への出力電圧を大きくすることができる。出力電圧を大きくすることで、電荷保持部ＦＤで得られる電圧に対して回路上で発生するノイズを相対的に小さくすることができ、良好な画像信号を得られる。一方で、（ｋＢ，ｋＧ，ｋＲ）＝（１，２，２）のように大きいホワイトバランスゲインを掛けることでフォトダイオード間の信号レベルの差を補正する場合には、読み出し回路上で発生するノイズも同時に増幅される。従って、各フォトダイオード間の信号レベルの差を可能な限りホワイトバランスゲインで吸収しないようにすることで、良好な画像信号を得られる。つまり、ホワイトバランスゲインの値が（ｋＢ，ｋＧ，ｋＲ）＝（１，１，１）に近づくように各フォトダイオードから得られる色信号値を制御することで、色信号値におけるノイズを相対的に小さくすることが可能となることを意味している。

【0096】

そのため、しきい値は色信号値の各成分に対応するホワイトバランスゲインの値ｋＢ，ｋＧ，ｋＲのうち基準となる層の値といずれかの層の値との比によって定める。典型的には、スイッチＳＷのオンまたはオフによって電荷保持部ＦＤの変換効率が変化する際に増減する出力電圧の比に等しい値を含む範囲として定める。

【0097】

例えば、電荷保持部ＦＤに対して付加容量部Ｃを非接続状態にすることで変換効率を変更した際に、出力電圧が２倍になることがわかっているとする。ここで、各フォトダイオードからの色信号読み出しの際にスイッチＳＷがオンの状態であり、画像信号において白色であると推定した色信号値が（Ｂ，Ｇ，Ｒ）＝（１００，５０，５０）であった場合、ホワイトバランスゲインの値は（ｋＢ，ｋＧ，ｋＲ）＝（１，２，２）となる。Ｇ値に対応するフォトダイオードＰＤ２とＲ値に対応するフォトダイオードＰＤ３を読み出す際に付加容量部Ｃを非接続状態にすることで変換効率を変更すると、色信号値は（Ｂ，Ｇ，Ｒ）＝（１００，１００，１００）になることから、Ｇ値とＲ値に対応するホワイトバランスゲインの値の比はｋＢ＝１を基準として２倍であることがわかる。この場合、しきい値は２以上となる。

【0098】

このように、付加容量部Ｃを非接続状態にすることで出力電圧がｎ倍になる、または、付加容量部Ｃを接続状態にすることで出力電圧が１／ｍ倍になることがわかっているとき、基準となるｋＢ，ｋＧ，ｋＲに対してホワイトバランスゲインの値がｎ倍以上または１／ｍ倍以下のホワイトバランスゲインの有無を判定する。付加容量部Ｃの有無によって変化する変換効率は、撮像素子１０の製造時の評価によってあらかじめ把握されている。

【0099】

また、ホワイトバランスゲインの値（ｋＢ，ｋＧ，ｋＲ）が（１，１，１）に近づくように変換効率を変更することで色信号値の出力を制御すればよいことから、付加容量部Ｃの有無によって出力電圧がｎ倍または１／ｍ倍になる場合において、ｎより小さい値または１／ｍより大きい値をしきい値の境界としてもよい。

【0100】

前述の条件と同じで、画像信号において白色であると推定した色信号値が（Ｂ，Ｇ，Ｒ）＝（１００，６０，６０）であったとする。この時、ホワイトバランスゲインの値は（ｋＢ，ｋＧ，ｋＲ）＝（１，１．６６，１．６６）となる。しきい値を２以上と設定すると、しきい値を超えない判断をするが、Ｇ値に対応するフォトダイオードＰＤ２とＲ値に対応するフォトダイオードＰＤ３を読み出す際に付加容量部Ｃを非接続状態にすることで出力電圧を２倍すると、色信号値は（Ｂ，Ｇ，Ｒ）＝（１００，１２０，１２０）となり、この色信号値に対応するホワイトバランスゲインは（ｋＢ，ｋＧ，ｋＲ）＝（１．２，１，１）あるいは（ｋＢ，ｋＧ，ｋＲ）＝（１，０．８４，０．８４）となる。変換効率を変更したほうがホワイトバランスゲインの値（ｋＢ，ｋＧ，ｋＲ）が（１，１，１）に近づくので、しきい値を２以下である１．６と定めてもよい。この場合、しきい値として許容される幅は経験によって定められる。

【0101】

ステップＳ０４において、読み出し制御部５４はＩＭ制御部１３に対して、分光特性推定部５３が判定した結果に基づき、しきい値の範囲外である色信号値に対応するフォトダイオードを読み出す際の変換効率を切り替える。具体的には、読み出し制御部５４はＩＭ制御部１３に対して、ステップＳ０３においてしきい値の範囲外である値を出力していた色信号に対応する各画素１１のフォトダイオードを読み出す際に、スイッチＳＷをオン状態またはオフ状態とする制御を行うように指示する。変換効率の切り替えが完了したらステップＳ０２に進み、再度画像信号を取得する。

【0102】

スイッチＳＷがオンの状態で変換効率が低い場合、スイッチＳＷをオフ状態にすることで、当該フォトダイオードに対する電荷保持部ＦＤの変換効率は高くなる。電荷保持部ＦＤの変換効率を高くすることで、低光量下において電荷保持部ＦＤが変換する電圧値を大きくし、画素回路および読み出し回路で発生するノイズを相対的に小さくする。

【0103】

スイッチＳＷがオフの状態で変換効率が高い場合、スイッチＳＷをオン状態にすることで、当該フォトダイオードに対する電荷保持部ＦＤの変換効率は低くなる。電荷保持部ＦＤの変換効率を低くすることで、高光量下において電荷保持部ＦＤが変換する電圧値を小さくし、各フォトダイオードが飽和しない場合においても電荷保持部ＦＤが飽和してしまうことを防ぐ。

【0104】

ホワイトバランスゲイン値の比をしきい値の判定に用いる場合は、電荷保持部ＦＤが飽和状態または色信号がノイズに埋もれている状態である二極の状態から変換効率を変更するよりも、被写体の分光特性や各フォトダイオードの感度に応じて柔軟に変換効率の制御が可能である。

【0105】

ステップＳ０５において、撮像装置２０の電源がオフになる等によって撮影が継続されているか否かを判定する。撮影が継続されている場合は、ステップＳ０２に進み、再度画像信号を取得する。撮影が継続されている限り撮像素子１０が備える電荷保持部ＦＤの変換効率を変更する制御を続けることで、画面が変わった際にも都度変換効率を変更することが可能となり、画面毎に最適な設定で画像信号を取得することができる。

【0106】

このように、被写体の分光特性に基づいて電荷保持部ＦＤの変換効率を制御できるため、種々の撮影環境においてノイズの低減と画像信号の飽和防止を両立する撮像装置を構成することが可能となる。

【0107】

［第２の実施形態］
第２の実施形態において、付加容量部を複数備えることとスイッチを複数備えることを除くと、前述した第１の実施形態と同様であるため、共通する構成には同じ符号を付すこととし、詳細な説明は省略する。

【0108】

図９は、第２の実施形態に係る撮像素子１０が備える画素１１の画素回路を示す図である。本実施形態の画素１１は、図９に示されるように複数の光電変換層であるところのフォトダイオードＰＤ１，ＰＤ２，ＰＤ３と、光電変換層と同じ数の電荷転送部であるところの転送トランジスタＴＸ１，ＴＸ２，ＴＸ３と電荷保持部ＦＤと、付加容量部Ｃ１，Ｃ２と、電荷保持部ＦＤと付加容量部Ｃ１，Ｃ２との接続を切り替えるスイッチＳＷ１，ＳＷ２を備えている。

【0109】

電荷保持部ＦＤと付加容量部Ｃ１，Ｃ２は、並列に接続されている。電荷保持部ＦＤと付加容量部Ｃ１，Ｃ２との接続を切り替える手段としてのスイッチＳＷ１，ＳＷ２を付加容量部と同じ数備えることにより、電荷保持部ＦＤにおける静電容量を段階的に上下させる組み合わせを実現できる。

【0110】

この時、付加容量部Ｃ１，Ｃ２の静電容量は互いに異なっていることが好ましい。電荷保持部ＦＤの静電容量をＣａｐ＿ｆｄ、付加容量部Ｃ１の静電容量をＣａｐ＿ｃ１、付加容量部Ｃ２の静電容量をＣａｐ＿ｃ２とし、Ｃａｐ＿ｃ１よりもＣａｐ＿ｃ２の静電容量を大きくした時、電荷保持部ＦＤにおける実現可能な静電容量の組み合わせは静電容量が大きい順にＣａｐ＿ｆｄ＋Ｃａｐ＿ｃ１＋Ｃａｐ＿ｃ２、Ｃａｐ＿ｆｄ＋Ｃａｐ＿ｃ２、Ｃａｐ＿ｆｄ＋Ｃａｐ＿ｃ１、Ｃａｐ＿ｆｄの４通りとなる。

【0111】

付加容量を増やすほど実現可能な静電容量の組み合わせは増える。そのため、付加容量は開口率の低下による感度の低下につながらない範囲で適宜増やしてもよい。

【0112】

第２の実施形態に係る撮像素子１０の画素１１から色信号を読み出す動作について図１０のタイミングチャートを参照しながら説明する。ここでは、所望の分光特性を得るためにフォトダイオードＰＤ１の飽和容量が最も大きく、次いでフォトダイオードＰＤ２の飽和容量が大きくなるように設計した場合を例にして説明する。

【0113】

図１０中の各信号がハイレベルのときに、その信号に対応する構成要素がオン状態になり、ローレベルのときにオフ状態になる。信号レベルがハイまたはローになるタイミングをＴ１～Ｔ２０で示している。ΦＳＥＬは行選択ゲートＳＥＬに、ΦＲＳＴはリセットトランジスタＲＳＴに、ΦＳＷ１はスイッチＳＷ１に、ΦＳＷ２はスイッチＳＷ２に、ΦＴＸ１～ΦＴＸ３は転送トランジスタＴＸ１～ＴＸ３に対応しており、垂直駆動部１４によって垂直制御配線１５を経由して各構成の制御が行われる。ΦＳは読み出し回路が画素回路側が出力する電圧を読み出すタイミングに対応しており、水平駆動部１６の制御によって、アナログデジタル変換部ＡＤＣが出力配線１７から出力される電圧をデジタル値に変換する制御が行われる。

【0114】

タイミングＴ１において、ΦＳＥＬがハイレベルにされ、行選択ゲートＳＥＬがオン状態となり、ソースフォロワトランジスタＳＦからは電荷保持部ＦＤに対応した電圧が出力される。

【0115】

この時、ΦＳＷ１およびΦＳＷ２も同時にハイレベルにされ、スイッチＳＷ１およびスイッチＳＷ２がオン状態となる。スイッチＳＷ１およびスイッチＳＷ２がオン状態であるので、電荷保持部ＦＤは付加容量部Ｃ１および付加容量部Ｃ２と接続されている状態となり、電荷保持部ＦＤの静電容量は付加容量部Ｃ１と付加容量部Ｃ２分拡大される。

【0116】

タイミングＴ１～Ｔ２において、ΦＲＳＴをハイレベルにした後ローレベルにすることで、リセットトランジスタＲＳＴがオンになった後オフ状態となる。タイミングＴ２においてリセットトランジスタＲＳＴがオフ状態になることで、画素回路側からは電荷保持部ＦＤおよび付加容量部Ｃ１ならびに付加容量部Ｃ２における電荷がリセットされた状態に基づく電圧が出力される。

【0117】

タイミングＴ３～Ｔ４において、ΦＳをハイレベルにした後ローレベルにすることで、読み出し回路は画素回路側が出力する電圧を読み出す。この時の電圧は、タイミングＴ１～Ｔ２においてリセットトランジスタＲＳＴによって電荷がリセットされた状態のものである。

【0118】

タイミングＴ５～Ｔ６において、ΦＴＸ１をハイレベルにした後ローレベルにすることで、転送トランジスタＴＸ１をオン状態にし、フォトダイオードＰＤ１に蓄積された電荷を電荷保持部ＦＤに転送する。画素回路側からは、電荷保持部ＦＤおよび付加容量部Ｃ１ならびに付加容量部Ｃ２におけるフォトダイオードＰＤ１から転送されてきた電荷に基づく電圧が出力される。

【0119】

タイミングＴ６～Ｔ７において、ΦＳをハイレベルにした後ローレベルにすることで、読み出し回路は画素回路側が出力する電圧を読み出す。これによって、フォトダイオードＰＤ１の信号読み出しが完了する。

【0120】

タイミングＴ７～Ｔ８において、ΦＲＳＴをハイレベルにした後ローレベルにすることで、リセットトランジスタＲＳＴがオンになった後オフ状態となる。タイミングＴ８においてリセットトランジスタＲＳＴがオフ状態になることで、画素回路側からは電荷保持部ＦＤおよび付加容量部Ｃ１ならびに付加容量部Ｃ２における電荷がリセットされた状態に基づく電圧が出力される。

【0121】

また、タイミングＴ８において、ΦＳＷ２をローレベルにすることで、スイッチＳＷ２をオフ状態にする。スイッチＳＷ２がオフ状態になることで、電荷保持部ＦＤと付加容量部Ｃ２の接続は切り離される。

【0122】

タイミングＴ９～Ｔ１０において、ΦＳをハイレベルにした後ローレベルにすることで、読み出し回路は画素回路側が出力する電圧を読み出す。この時の電圧は、タイミングＴ７～Ｔ８においてリセットトランジスタＲＳＴによって電荷がリセットされた状態のものである。

【0123】

タイミングＴ１１～Ｔ１２において、ΦＴＸ２をハイレベルにした後ローレベルにすることで、転送トランジスタＴＸ２をオン状態にし、フォトダイオードＰＤ２に蓄積された電荷を電荷保持部ＦＤに転送する。画素回路側からは、電荷保持部ＦＤおよび付加容量部Ｃ１におけるフォトダイオードＰＤ２から転送されてきた電荷に基づく電圧が出力される。

【0124】

タイミングＴ１２～Ｔ１３において、ΦＳをハイレベルにした後ローレベルにすることで、読み出し回路は画素回路側が出力する電圧を読み出す。これによって、フォトダイオードＰＤ２の信号読み出しが完了する。

【0125】

タイミングＴ１３～Ｔ１４において、ΦＲＳＴをハイレベルにした後ローレベルにすることで、リセットトランジスタＲＳＴがオンになった後オフ状態となる。タイミングＴ１４においてリセットトランジスタＲＳＴがオフ状態になることで、画素回路側からは電荷保持部ＦＤおよび付加容量部Ｃ１における電荷がリセットされた状態に基づく電圧が出力される。

【0126】

また、タイミングＴ１４において、ΦＳＷ１をローレベルにすることで、スイッチＳＷ１をオフ状態にする。スイッチＳＷ１がオフ状態になることで、電荷保持部ＦＤと付加容量部Ｃ１の接続は切り離される。

【0127】

タイミングＴ１５～Ｔ１６において、ΦＳをハイレベルにした後ローレベルにすることで、読み出し回路は画素回路側が出力する電圧を読み出す。この時の電圧は、タイミングＴ１３～Ｔ１４においてリセットトランジスタＲＳＴによって電荷がリセットされた状態のものである。

【0128】

タイミングＴ１７～Ｔ１８において、ΦＴＸ３をハイレベルにした後ローレベルにすることで、転送トランジスタＴＸ３をオン状態にし、フォトダイオードＰＤ３に蓄積された電荷を電荷保持部ＦＤに転送する。画素回路側からは、電荷保持部ＦＤにおけるフォトダイオードＰＤ３から転送されてきた電荷に基づく電圧が出力される。

【0129】

タイミングＴ１８～Ｔ１９において、ΦＳをハイレベルにした後ローレベルにすることで、読み出し回路は画素回路側が出力する電圧を読み出す。これによって、フォトダイオードＰＤ３の信号読み出しが完了する。

【0130】

タイミングＴ１９～Ｔ２０において、ΦＲＳＴとΦＳＷ１とΦＳＷ２をハイレベルにした後ローレベルにし、タイミングＴ２０においてΦＳＥＬをローレベルにすることで、画素１１における色信号の取得が完了する。

【0131】

このように、複数の付加容量部の接続状態を適宜切り替えることにより、各フォトダイオードの飽和容量に対応して変換効率を柔軟に設定することができ、低光量下においても高光量下においても良好な画像信号を取得することができる。

【0132】

また、第２の実施形態の撮像素子１０を備える撮像装置２０を構成することにより、第１の実施形態と同様に、種々の撮影環境においてノイズの低減と画像信号の飽和防止を両立する撮像装置を構成することが可能となる。第１の実施形態と比較すると、第２の実施形態における撮像素子１０は複数の付加容量部を備える構成であり、電荷保持部ＦＤにおける静電容量を段階的に上下させることができることから、各撮影環境においてより最適な画像信号を取得することが可能となる。

【0133】

本発明は、以下のような構成を取ることもできる。

【0134】

読み出し制御部５４の読み出し指示は、使用者によって任意に行える構成としてもよい。例えば、撮像装置２０において、使用者がモードＢを選択するとフォトダイオードＰＤ１（Ｂ層）の信号を取得する際にスイッチＳＷがオンされるといった処理を行う。複数の付加容量部を備える場合は、モードＢにおける段階の設定を可能とし、段階に応じて複数の付加容量部の接続状況を変更するといった処理を行う。その他、撮像装置２０における撮影カラーモードの変更時やマニュアル操作でのホワイトバランス変更時に読み出し制御部５４の読み出し指示を含めることも可能である。これにより、使用者が所望の画作りに対して最適な画像信号を得ることが可能となる。

【0135】

以上が本発明の実施形態であるが、各実施形態において示した各部の形状や回路等は、いずれも本技術を実施するための一例である。また、各実施形態により開示される技術は、実施形態の説明に限定されず様々な変形実施が可能であり、いずれも本発明の均等の範囲内である。

【符号の説明】

【0136】

１０ 撮像素子
１１ 画素
１２ 光電変換部
ＰＤ１、ＰＤ２、ＰＤ３ フォトダイオード
ＴＸ１、ＴＸ２、ＴＸ３ 転送トランジスタ
ＦＤ 電荷保持部
Ｃ、Ｃ１、Ｃ２ 付加容量部
ＳＷ、ＳＷ１、ＳＷ２ スイッチ
ＲＳＴ リセットトランジスタ
ＳＦ ソースフォロワトランジスタ
ＳＥＬ 行選択ゲート
ＶＤＤ 電源
ＡＤＣ アナログデジタル変換部
１３ ＩＭ制御部
１４ 垂直駆動部
１５ 垂直制御配線
１６ 水平駆動部
１７ 出力配線
１８ 信号処理部
２０ 撮像装置
３０ レンズ装置
４０ カメラ本体
４１ カメラ制御部
５０ 画像処理ブロック
５１ 色信号取得部
５２ ホワイトバランス制御部
５３ 分光特性推定部
５４ 読み出し制御部
６０ ＲＯＭ
７０ ＲＡＭ

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】