JP2007329803A - Imaging apparatus - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、撮像装置に関し、特に、被写体を照明する照明部と、撮像素子上に光電変換部を覆う遮光部材とを備えた撮像装置に関する。 The present invention relates to an imaging apparatus, and more particularly to an imaging apparatus including an illumination unit that illuminates a subject and a light shielding member that covers a photoelectric conversion unit on an imaging element.
従来、デジタルカメラや携帯電話用カメラモジュール等の撮像素子にはCCD(Charge Coupled Device)型撮像素子が用いられてきた。それに対して、最近では、CCD型撮像素子の欠点であるスミアやブルーミングが発生しにくく、電源電圧も低くてよいといった特長から、CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor)型撮像素子が用いられることが多くなってきている。 Conventionally, a CCD (Charge Coupled Device) type image sensor has been used for an image sensor such as a digital camera or a camera module for a mobile phone. On the other hand, recently, CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor) type image sensors are often used because smear and blooming, which are disadvantages of CCD type image sensors, are less likely to occur and the power supply voltage may be low. It is coming.
CMOS型撮像素子では、画素内に配置された光電変換部により入射光を電荷に変換して、映像信号を得る。光電変換部としては例えばフォトMOSゲートやフォトダイオードが用いられ、一定の露光時間の間、光入射により発生する電荷を蓄積する構造になっており、かかる時間が経過後、蓄積された電荷量に応じた画像信号を出力する。 In a CMOS type image sensor, incident light is converted into electric charges by a photoelectric conversion unit arranged in a pixel to obtain a video signal. As the photoelectric conversion unit, for example, a photo MOS gate or a photodiode is used, and it has a structure for accumulating charges generated by light incidence for a certain exposure time. The corresponding image signal is output.
電荷蓄積可能な量は有限であるため、強い光が入射した場合、電荷が飽和してしまい、適正な出力信号を得ることができない。これを防ぐため、フィルタや絞りなどの光学的手段により、光入射を制限した場合、今度は弱い光入射に対して蓄積電荷量が少なすぎて、出力信号が周辺のノイズに埋もれてしまい、適正な出力信号を得ることができない。 Since the amount of charge that can be accumulated is finite, when strong light is incident, the charge is saturated and an appropriate output signal cannot be obtained. In order to prevent this, if the light incidence is limited by optical means such as a filter or a diaphragm, the accumulated charge amount is too small for the weak light incidence, and the output signal is buried in the surrounding noise, so it is appropriate Can not obtain a stable output signal.
すなわち、CMOS型撮像素子には、適正な出力信号を得ることができる入射光量範囲(ダイナミックレンジ;以後、Dレンジと言う)が存在する。そして、その範囲は一般に、銀塩フィルムが持つDレンジ(通常はラチチュードと呼ばれる)に比べて狭い。従って、CMOS型撮像素子における露出制御の要求精度は、銀塩フィルムに比べて厳しい。 That is, the CMOS image sensor has an incident light amount range (dynamic range; hereinafter referred to as D range) in which an appropriate output signal can be obtained. The range is generally narrower than the D range (usually called latitude) of a silver salt film. Therefore, the required accuracy of exposure control in a CMOS image sensor is stricter than that of a silver salt film.
特に、被写体を照明する手段としてフラッシュ光を用いる場合には、フラッシュ光の閃光時間が最大でも数マイクロ秒と非常に短いため、通常の機械式の絞りやシャッタを用いる露出制御では露出のバラツキが大きく、CMOS型撮像素子の要求する露出精度を得ることは困難である。 In particular, when flash light is used as a means for illuminating a subject, the flash time of the flash light is as short as a few microseconds at the maximum, so exposure variation using a normal mechanical aperture or shutter causes variations in exposure. It is large and it is difficult to obtain the exposure accuracy required by the CMOS image sensor.
そこで、CMOS型撮像素子においては、フラッシュ光の露出制御に電子シャッタが用いられる(例えば、特許文献1参照)。電子シャッタを用いることで、フラッシュ光の短い閃光時間中に露出を終了することができ、CMOS型撮像素子の要求する露出精度を得ることが可能となる。 Therefore, in a CMOS image sensor, an electronic shutter is used for exposure control of flash light (see, for example, Patent Document 1). By using the electronic shutter, the exposure can be completed during the short flash time of the flash light, and the exposure accuracy required by the CMOS image sensor can be obtained.
一方、マイクロマシン技術の進歩に伴い、撮像素子の画素上に各画素の開口部の一部分を遮光する遮光マスクを設け、マイクロアクチュエータを用いて遮光マスクの位置を切り換えて複数回撮像することで、画素数を増やすことなく高解像度化する方法が提案されている(例えば、特許文献2参照)。
しかしながら、後に図3および図4で詳述するが、特許文献1に記載の方法のように電子シャッタを用いてフラッシュ光の露出制御を行うと、得られた画像信号が出力されるまでの間に信号に暗電流によるノイズが重畳され、良好な画像が得られないという課題が発生する。
However, as will be described in detail later with reference to FIG. 3 and FIG. 4, when the exposure of flash light is controlled using an electronic shutter as in the method described in
また、特許文献2の方法は、遮光マスクの画素の開口部に対する相対的な遮光位置が変化することによって時系列的に開口位置を切り換えることで高解像度化するのみで、遮光量を制御するものではなく、露出制御に関する提案ではない。 The method of Patent Document 2 controls the light shielding amount only by increasing the resolution by switching the opening position in time series by changing the light shielding position relative to the opening of the pixel of the light shielding mask. It is not a proposal for exposure control.
本発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、被写体を照明する照明部、特にフラッシュ光のような閃光を発する照明部を用いる場合でも露出制御が可能であり、暗電流によるノイズが少なく良好な画像が得られる撮像装置を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above circumstances, and exposure control is possible even when an illuminating unit that illuminates a subject, particularly an illuminating unit that emits flash light such as flash light, is good with less noise due to dark current. An object of the present invention is to provide an imaging device capable of obtaining a clear image.
本発明の目的は、下記構成により達成することができる。 The object of the present invention can be achieved by the following constitution.
1.光電変換部を有する画素が2次元状に配置された撮像素子と、
前記光電変換部への入射光の全部または一部を遮光するための遮光部材であって、少なくとも1辺の長さが、ある画素の並び方向に並んだ画素行と当該画素行に隣接する画素行との距離よりも短い遮光片が端部で相互に連結された前記遮光部材と、前記遮光部材の位置を前記光電変換部の上で移動させるための遮光駆動部とを含む遮光デバイスとを備えた撮像装置において、
被写体を照明する照明部と、
前記遮光部材が行う前記光電変換部への入射光の全部または一部の遮光動作を、前記照明部の発光と関連付けて制御する撮像制御部とを備えたことを特徴とする撮像装置。
1. An image sensor in which pixels having a photoelectric conversion unit are two-dimensionally arranged;
A light shielding member for shielding all or a part of incident light to the photoelectric conversion unit, wherein at least one side of the pixel row is arranged in the arrangement direction of a pixel and a pixel adjacent to the pixel row A light-shielding device including the light-shielding member in which light-shielding pieces shorter than the distance to the row are connected to each other at an end, and a light-shielding drive unit for moving the position of the light-shielding member on the photoelectric conversion unit In the provided imaging device,
An illumination unit that illuminates the subject;
An imaging apparatus comprising: an imaging control unit configured to control a light shielding operation of all or part of incident light to the photoelectric conversion unit performed by the light shielding member in association with light emission of the illumination unit.
2.前記撮像制御部は、前記遮光部材の遮光動作を、前記照明部の発光と同期させて制御することを特徴とする1に記載の撮像装置。 2. The imaging apparatus according to 1, wherein the imaging control unit controls a light shielding operation of the light shielding member in synchronization with light emission of the illumination unit.
3.前記撮像制御部は、前記遮光部材の遮光量を、前記照明部の発光と同期させて制御することを特徴とする1に記載の撮像装置。 3. The imaging apparatus according to 1, wherein the imaging control unit controls a light shielding amount of the light shielding member in synchronization with light emission of the illumination unit.
本発明によれば、撮像素子の画素上に遮光部材を設け、該遮光部材を移動させることで光電変換部への入射光の遮光を制御することで、フラッシュ光のような閃光を発する照明部を用いる場合でも露出制御が可能であり、暗電流によるノイズが少なく良好な画像が得られる撮像装置を提供することができる。 According to the present invention, an illumination unit that emits flash light such as flash light by providing a light shielding member on a pixel of an image sensor and controlling the light shielding of incident light to the photoelectric conversion unit by moving the light shielding member. It is possible to provide an image pickup apparatus that can control exposure even when using, and can obtain a good image with less noise due to dark current.
以下、図面に基づき本発明の実施の形態を説明する。尚、各図中、同一符号は同一または相当部分を示し、重複する説明は省略する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In addition, in each figure, the same code | symbol shows the same or an equivalent part, and the overlapping description is abbreviate | omitted.
まず初めに、本発明における撮像装置の構成を、図1を用いて説明する。図1は、撮像装置の内部構成を示すブロック図である。図1において、撮像装置1は、操作部111、制御部151、撮像部160、レンズ211、レンズ駆動部221、照明部141、測光部171、表示部131、記録媒体191等で構成されている。
First, the configuration of the imaging apparatus according to the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 1 is a block diagram illustrating an internal configuration of the imaging apparatus. In FIG. 1, the
撮像部160は、撮像制御部161、撮像素子162、アナログデジタル変換器(以下、A/D変換器と言う)164、画像処理部165、遮光制御部167、遮光デバイス162x等で構成されている。遮光デバイス162xは撮像素子162の撮像面上に設けられ、レンズ211から撮像素子162に入射する光の遮光を制御する。遮光デバイス162xの動作は、撮像制御部161の制御下で遮光制御部167が出力する遮光デバイス制御信号MSにより制御される。
The
撮像素子162の撮像信号Vsは、A/D変換器164によりデジタルデータに変換され、画像処理部165で所定の処理が施されて、画像データ165aとして撮像制御部161に入力される、撮像部160の動作は、制御部151の制御下で撮像制御部161により制御される。撮像制御部161に入力された画像データ165aは、制御部151を介して、例えばメモリカード等で構成される記録媒体191に記録され、必要に応じて、例えば液晶表示パネル等で構成される表示部131に表示される。
The imaging signal Vs of the
操作部111は、撮像装置1の撮像や画像記録および画像表示等の各種動作の開始や終了の入力および撮像モードや記録モード等の各種設定の入力等に用いられ、各種操作の信号は制御部151に入力される。照明部141は、例えばキセノン管とフラッシュ回路等で構成され、制御部151により発光制御される。
The
測光部171は、例えば受光素子と測光回路等で構成され、制御部151の制御下でフラッシュ光を含む被写体からの光を測光し、測光信号を制御部151に入力する。ここでは、測光部171は被写体からの光を直接測光する所謂外光式の測光部として図示したが、レンズ211を通った被写体からの光を測光する所謂TTL方式の測光部であってもよい。制御部151は、上述した各種動作の全てを制御する。
The
次に、撮像装置1に用いられる撮像素子162の構成を、図2を用いて説明する。図2は、撮像素子162の内部構成を示すブロック図である。図2において、撮像素子162はCMOS型の撮像素子であり、その撮像面162a上には、水平と垂直にマトリクス状に配列された複数の画素162b、垂直走査回路162c、サンプルホールド回路162d、出力回路162e、出力アンプ162g、水平走査回路162fおよびタイミングジェネレータ162h等が配置され、画素162bの各水平行毎の並びと垂直走査回路162cとは行選択線162iで結ばれ、画素162bの各垂直列毎の並びとサンプルホールド回路162dとは垂直信号線162jで結ばれている。
Next, the configuration of the
ここでは、サンプルホールド回路162dは、垂直信号線162jの一本につき図示しない2個のキャパシタを備えており、図4および図6で後述する撮像素子162の駆動方法において、一方のキャパシタに各画素のノイズを含む撮像信号Voutを保持し、他方のキャパシタに各画素のノイズ信号Vnoiseを保持し、その差分をとる、所謂CDS(相関二重サンプリング)動作を行い、ノイズ除去を行う。
Here, the
撮像素子162の撮像動作は、撮像制御部161からの撮像制御信号161aに従って、タイミングジェネレータ162hによって制御され、撮像素子162の出力である撮像信号Vsは、A/D変換器164に入力される。
The imaging operation of the
次に、撮像素子162の画素162bの構成について、図3を用いて説明する。図3は、画素162bの構成の一例を示す回路図である。図3において、画素162bは、光電変換部として機能するフォトダイオードPDと、4個のNチャンネルMOSトランジスタ(以下、トランジスタと言う)Q1乃至Q4とで構成されている。フォトダイオードPDは、低ノイズ化の観点から、埋め込み型フォトダイオードとすることが望ましい。ここに、VDDは電源電位、GNDは接地電位、リセット信号φRST、転送信号φTX、画素出力信号φVはそれぞれ各トランジスタを駆動するための制御信号である。
Next, the configuration of the
画素162bに入射する光は、フォトダイオードPDにより光電変換されて光電流Ipに変換され、寄生容量Cpに光電荷Qpとして蓄積される。トランジスタQ1は転送ゲートと呼ばれ、そのゲート端子に入力される転送信号φTXによって制御されて、フォトダイオードPDの寄生容量Cpに蓄積された光電荷QpをフローティングディフュージョンFDに完全転送する。転送された光電荷QpはフローティングディフュージョンFDに保持され、光信号Vpとなる。
Light incident on the
トランジスタQ2はリセットゲートと呼ばれ、そのゲート端子に入力されるリセット信号φRSTによって制御されて、フローティングディフュージョンFDの電位Vfdを電源電位VDDにリセットする。リセットされたフローティングディフュージョンFDには、リセットノイズVrnが残存する。トランジスタQ3はソースフォロア回路を構成し、そのゲート端子に接続されているフローティングディフュージョンFDの電位Vfd(=VpまたはVrn)を低インピーダンス化する。 The transistor Q2 is called a reset gate, and is controlled by a reset signal φRST input to its gate terminal to reset the potential Vfd of the floating diffusion FD to the power supply potential VDD. Reset noise Vrn remains in the reset floating diffusion FD. The transistor Q3 forms a source follower circuit, and lowers the impedance of the potential Vfd (= Vp or Vrn) of the floating diffusion FD connected to the gate terminal thereof.
トランジスタQ4は行選択トランジスタと呼ばれ、そのゲート端子が接続された行選択線162iに入力される画素出力信号φVによって制御されて、トランジスタQ3によって低インピーダンス化されたフローティングディフュージョンFDの電位Vfd(=VpまたはVrn)を垂直信号線162jに出力する。
The transistor Q4 is called a row selection transistor, and is controlled by the pixel output signal φV input to the
次に、本発明の課題である「電子シャッタを用いてフラッシュ光の露出制御を行うと、画像に暗電流によるノイズが重畳され、良好な画像が得られない」という問題点について、図4を用いて詳述する。図4は、図3に示した撮像素子162の画素162bの駆動方法を示すタイミングチャートで、図4(a)は撮像素子の全画素が同時に駆動される撮像時のタイミングチャート、図4(b)は、図4(a)に引き続き、各水平画素行毎に順次駆動される撮像信号出力時のタイミングチャートである。
Next, FIG. 4 shows the problem that “a good image cannot be obtained because noise due to dark current is superimposed on an image when the exposure control of flash light is performed using an electronic shutter”, which is an object of the present invention. It will be described in detail. FIG. 4 is a timing chart showing a driving method of the
図4(a)において、タイミングt41からt42で転送信号φTXが高電位Hにされることで、フォトダイオードPDの寄生容量Cpに蓄積された光電荷QpがトランジスタQ1を介してフローティングディフュージョンFDに完全転送され、フォトダイオードPDの寄生容量Cpがリセットされる。同時にリセット信号φRSTが高電位Hにされることで、フローティングディフュージョンFDがトランジスタQ2を介して電源電位VDDにリセットされる。 In FIG. 4A, the transfer signal φTX is set to the high potential H from timing t41 to t42, so that the photocharge Qp accumulated in the parasitic capacitance Cp of the photodiode PD is completely transferred to the floating diffusion FD through the transistor Q1. Then, the parasitic capacitance Cp of the photodiode PD is reset. At the same time, the reset signal φRST is set to the high potential H, so that the floating diffusion FD is reset to the power supply potential VDD via the transistor Q2.
タイミングT42で転送信号φTXが低電位Lにされることで、フォトダイオードPDの寄生容量Cpに定常光による光電荷Qpの蓄積が開始される。同時にリセット信号φRSTが低電位Lにされることで、フローティングディフュージョンFDがフローティング状態にされる。この時、フローティングディフュージョンFDにはリセットノイズVrnが残存する。タイミングt42から測光部171の測光が開始される。
When the transfer signal φTX is set to the low potential L at the timing T42, accumulation of the photocharge Qp by the steady light in the parasitic capacitance Cp of the photodiode PD is started. At the same time, the reset signal φRST is set to the low potential L, so that the floating diffusion FD is brought into a floating state. At this time, the reset noise Vrn remains in the floating diffusion FD. Photometry of the
タイミングt43でフラッシュの発光開始信号TRGが高電位にされることで、フラッシュ光FLの発光が開始される。測光部171での測光により撮像素子162の露光量が適正露出に達したと判断されると、タイミングt44で測光部171から露出完了信号SPが出力され、露出完了信号SPに同期して転送信号φTXが高電位Hにされることで、フォトダイオードPDの寄生容量Cpに蓄積された光電荷QpがトランジスタQ1を介してフローティングディフュージョンFDに完全転送され、光信号VpとしてフローティングディフュージョンFDに保持される。
At timing t43, the flash emission start signal TRG is set to a high potential, so that the emission of the flash light FL is started. When it is determined that the exposure amount of the
光電荷Qpの転送完了後、タイミングt45で転送信号φTXが速やかに低電位Lに戻されることで、フォトダイオードPDとフローティングディフュージョンFDとがトランジスタQ1によって切り離される。 After the transfer of the photocharge Qp is completed, the transfer signal φTX is quickly returned to the low potential L at the timing t45, whereby the photodiode PD and the floating diffusion FD are disconnected by the transistor Q1.
これによって、図4(a)に示したように、フラッシュ光FLの発光途中で全画素同時に電子シャッタを閉じることができ、フラッシュ光の照明下での露出制御が行える。ここに、タイミングt42からt45の間が露出時間SSである。以上の動作が全画素同時に行われる撮像動作で、タイミングt45の段階で、各画素のフローティングディフュージョンFDに各画素の光信号Vpが保持されている。 As a result, as shown in FIG. 4A, the electronic shutter can be closed at the same time during the emission of the flash light FL, and exposure control under illumination of the flash light can be performed. Here, the exposure time SS is from the timing t42 to t45. In the imaging operation in which the above operations are performed simultaneously for all pixels, the optical signal Vp of each pixel is held in the floating diffusion FD of each pixel at the stage of timing t45.
次に、図4(b)において、タイミングt51からt52で水平j行目の画素行の行選択線162iに印加される画素出力信号φVjが高電位Hにされることで、水平j行目の画素行の各画素のフローティングディフュージョンFDに保持されている光信号Vpが、トランジスタQ3およびQ4を介して、水平j行目の画素行の各画素の撮像信号Voutとして垂直信号線162jに出力され、サンプルホールド回路162dのCDS用キャパシタの一方に保持される。
Next, in FIG. 4B, the pixel output signal φVj applied to the
タイミングt53からt54で水平j行目の画素行のリセット信号φRSTjが高電位Hにされることで、水平j行目の画素行の各画素のフローティングディフュージョンFDがトランジスタQ2を介して電源電位VDDにリセットされる。この時、リセット動作に伴ってリセットノイズが発生し、フローティングディフュージョンFDにリセットノイズVrnとして残存する。 At timing t53 to t54, the reset signal φRSTj of the horizontal j-th pixel row is set to the high potential H, so that the floating diffusion FD of each pixel of the horizontal j-th pixel row is set to the power supply potential VDD via the transistor Q2. Reset. At this time, reset noise is generated along with the reset operation, and remains in the floating diffusion FD as reset noise Vrn.
タイミングt55からt56で再び水平j行目の画素行の画素出力信号φVjが高電位Hにされることで、水平j行目の画素行の各画素のフローティングディフュージョンFDに残存しているリセットノイズVrnが、各画素のノイズ信号Vnoiseとして垂直信号線162jに出力され、サンプルホールド回路162dのCDS用キャパシタの他方に保持される。
At timings t55 to t56, the pixel output signal φVj of the horizontal j-th pixel row is again set to the high potential H, whereby the reset noise Vrn remaining in the floating diffusion FD of each pixel of the horizontal j-th pixel row. Is output to the
サンプルホールド回路162dでは、2つのCDS用キャパシタに保持された水平j行目の各画素の撮像信号Voutとノイズ信号Vnoiseとの差分がとられることでノイズ除去が行われる。タイミングt57からt58で、ノイズ除去された撮像信号Vsが、水平転送信号φHに同期して、出力回路162eから出力アンプ162gを介して出力され、A/D変換器164に入力される。続いて水平(j+1)行目の画素行の撮像信号Vsの出力動作に移り、撮像素子162の全水平画素行について同様の動作が順次行われる。
The
上述したように、各画素の撮像信号Voutの出力は水平画素行毎に順次行われるので、水平画素行毎にタイミングt45から出力までの時間が異なり、出力までの時間が長い画素行では、長時間にわたって各画素のフローティングディフュージョンFDに光信号Vpを保持しておく必要がある。しかしながら、フローティングディフュージョンFDはその構造から暗電流が大きく、長時間の電荷保持により暗電流ノイズが光信号Vpに混入する量が増し、結果として良好な画像を得ることができないという問題点が発生する。 As described above, since the output of the imaging signal Vout of each pixel is sequentially performed for each horizontal pixel row, the time from the timing t45 to the output is different for each horizontal pixel row, and the pixel row having a long time to output is long. It is necessary to hold the optical signal Vp in the floating diffusion FD of each pixel over time. However, the floating diffusion FD has a large dark current due to its structure, and the amount of dark current noise mixed into the optical signal Vp increases due to long-time charge retention, resulting in a problem that a good image cannot be obtained. .
次に、図4で説明した本発明の課題を解決する方法について、図5乃至図7を用いて説明する。図5は、本発明の一実施の形態である撮像素子と遮光デバイスを示す図であって、撮像素子162の撮像面162a上に遮光デバイス162xが配置された例を示した模式図である。
Next, a method for solving the problem of the present invention described with reference to FIG. 4 will be described with reference to FIGS. FIG. 5 is a diagram showing an imaging device and a light shielding device according to an embodiment of the present invention, and is a schematic diagram showing an example in which the
図5において、撮像素子162の構成は図2に示したと同様で、画素162bはフォトダイオードPDを備え、水平および垂直方向にマトリクス状に配列されている。ここでは水平、垂直共に4画素ずつの16画素の撮像素子として例示したが、これに限るものではないのはもちろんである。
In FIG. 5, the configuration of the
各水平画素行の上には、各水平画素行毎に遮光デバイス162xの構成要素の一つである遮光部材623が配置され、各遮光部材623は、図の右端の撮像素子100上で画素の配列された領域外で、連結部621により垂直方向に連結されて一体化されている。遮光部材623は、フォトダイオードPDへの入射光の全部または一部を遮光するような大きさに設定されている。
On each horizontal pixel row, a
遮光部材623の垂直方向の連結部621の裏面には、遮光駆動部162yを構成する第2の櫛歯状電極627が設けられ、撮像素子162上の画素の配置された領域外で第2の櫛歯状電極627に対向する部分の表面には第1の櫛歯状電極625が設けられており、第1の櫛歯状電極625と第2の櫛歯状電極627の間に印加される電圧の制御により、全画素の遮光部材623を一括して移動させて全画素の遮光面積を同時に変化させることができる。これによって、画素162bの露光量を制御したり、撮像素子162の全画素同時露出が行えるシャッタ機能を実現することができる。
A second comb-
本実施の形態によれば、遮光部材623の移動量はフォトダイオードPDの大きさ程度で、略数マイクロメートル程度と非常に小さいため、遮光動作の高速化が可能であり、従来の機械式シャッタに比べて格段に高速のシャッタを実現することができる。さらに、従来のフォーカルプレーンシャッタのように撮像素子上の位置によって露光のタイミングが異なるといったことがなく、全画素同時露光が行えるので、フラッシュ光のような閃光であっても露出制御が可能である。
According to the present embodiment, the amount of movement of the
図5に示した例では、遮光部材623は、画素の水平行毎に設けられているが、これに限らず、垂直列毎に設けられ、画素領域外で水平に連結されてもよい。また、図5に示した例では、遮光部材623は片側(図の右側)だけで垂直方向に連結されているが、図の左側にも連結部621を設け、左側の連結部621にも第1の櫛歯状電極625および第2の櫛歯状電極627を設けてもよい。この場合、連結部621を配置する部分の面積が大きくなる欠点はあるが、遮光部材623を駆動する力が大きくなり、機械的強度も増すので、より高速なシャッタ機能が実現できる。
In the example illustrated in FIG. 5, the
図5に示したように、遮光部材623の少なくとも一辺の長さaは、画素162bの並びの列と列の間の距離(以下、列間距離と言う)dよりも短く設定されている。ここで、列間距離dについて図6を用いて詳述する。図6は、列間距離dの定義について説明するための画素162bの配列を示す模式図である。
As shown in FIG. 5, the length a of at least one side of the
図6(a)において、矩形の画素162bが水平および垂直方向にマトリクス状に配列されている場合、例えば水平方向の隣り合うn列目の画素の並びHnとn+1列目の画素の並びHn+1とを考えると、列間距離dはHnとHn+1の間の距離つまり画素ピッチDhとなる。垂直方向についても同様の考え方でよい。
In FIG. 6A, when the
一方、図6(b)に示した、六角形の画素162bが稠密に配列された構造(所謂ハニカム構造)の撮像素子においては、水平および垂直方向については図6(a)と同様でよいが、斜め方向については、図6(b)に示した斜め方向の隣り合うn列目の画素の並びHnとn+1列目の画素の並びHn+1とを考えると、列間距離dはHnとHn+1の間の距離つまり斜め画素ピッチDbとなる。このように画素の配列に応じて列間距離が複数存在する場合、遮光部材623の少なくとも一辺の長さaは少なくとも一つの列間距離dよりも短く設定されている。
On the other hand, in the imaging device having a structure (so-called honeycomb structure) in which
図7は、図5に示した撮像素子162の画素162bと遮光デバイス162xとの駆動方法を示すタイミングチャートで、図7(a)は撮像素子の全画素と遮光デバイス162xとが同時に駆動される撮像時のタイミングチャート、図7(b)は、図7(a)に引き続き、各水平画素行毎に順次駆動される撮像信号出力時のタイミングチャートである。ここに、画素162bの回路は図3に示したものと同じである。
FIG. 7 is a timing chart showing a driving method of the
図7(a)において、初期状態では遮光デバイス制御信号MSが低電位Lに設定されており、この状態では、遮光部材623はフォトダイオードPDを完全に遮光しているものとする。タイミングt61からt62で転送信号φTXが高電位Hにされることで、フォトダイオードPDの寄生容量Cpに蓄積された光電荷QpがトランジスタQ1を介してフローティングディフュージョンFDに完全転送され、フォトダイオードPDの寄生容量Cpがリセットされる。同時にリセット信号φRSTが高電位Hにされることで、フローティングディフュージョンFDがトランジスタQ2を介して電源電位VDDにリセットされる。
In FIG. 7A, in the initial state, the light shielding device control signal MS is set to a low potential L. In this state, the
タイミングt62で転送信号φTXが低電位Lにされることで、フォトダイオードPDの寄生容量Cpに定常光による光電荷Qpの蓄積が可能となるが、このタイミングでは遮光デバイス制御信号MSが低電位Lのままであるので、遮光部材623はフォトダイオードPDを完全に遮光したままであり、定常光による光電荷Qpの蓄積は開始されない。同時にリセット信号φRSTが低電位Lにされることで、フローティングディフュージョンFDがフローティング状態にされる。この時、フローティングディフュージョンFDにはリセットノイズVrnが残存する。
Since the transfer signal φTX is set to the low potential L at the timing t62, it is possible to accumulate the photocharge Qp by the steady light in the parasitic capacitance Cp of the photodiode PD. At this timing, the light shielding device control signal MS is set to the low potential L. Therefore, the
タイミングt63で遮光デバイス制御信号MSが高電位Hにされることで、遮光部材623がフォトダイオードPDを完全に遮光する位置から移動されてフォトダイオードPDに被写体からの定常光が入射し、フォトダイオードPDの寄生容量Cpへの定常光による光電荷Qpの蓄積、つまり撮像が開始される。同時に、測光部171の測光が開始される。
When the light-shielding device control signal MS is set to the high potential H at timing t63, the light-shielding
遮光部材623の移動量は、測光部171による事前の測光結果から求められた入射光量から算出され、通常のレンズの絞り値制御と同様に、入射光量を何パーセント減光すればよいかによって決定される。もちろん、遮光部材623をフォトダイオードPD上から完全に移動させ、レンズの絞りを用いて入射光量を減光してもよい。
The amount of movement of the
タイミングt64でフラッシュの発光開始信号TRGが高電位にされることで、フラッシュ光FLの発光が開始される。測光部171での測光により撮像素子162の露光量が適正露出に達したと判断されると、タイミングt65で測光部171から露出完了信号SPが出力され、露出完了信号SPに同期して、タイミングt66で遮光デバイス制御信号MSが低電位Lにされることで、遮光部材623がフォトダイオードPDを完全に遮光し、撮像が終了される。フォトダイオードPDの寄生容量Cpに蓄積された光電荷Qpは、そのまま寄生容量Cpに保持される。
At timing t64, the flash emission start signal TRG is set to a high potential, so that the flash light FL starts to be emitted. When it is determined that the exposure amount of the
これによって、図7(a)に示したように、フラッシュ光FLの発光途中で、遮光デバイス162xによって全画素同時にフォトダイオードPDを遮光することができ、フラッシュ光の照明下での露出制御が行える。ここに、タイミングt63からt66の間が露出時間SSである。以上の動作が全画素同時に行われる撮像動作で、タイミングt66の段階で、各画素のフォトダイオードPDの寄生容量Cpに各画素の光電荷Cpが保持されている。フォトダイオードPDは埋め込み型フォトダイオードで構成されているために暗電流が非常に小さく、長時間の保持によってもノイズによる影響は非常に少ない。
As a result, as shown in FIG. 7A, during the emission of the flash light FL, all the pixels can be simultaneously shielded by the
次に、図7(b)において、タイミングt71からt72で水平j行目の画素行のリセット信号φRSTjが高電位Hにされることで、水平j行目の画素行の各画素のフローティングディフュージョンFDがトランジスタQ2を介して電源電位VDDにリセットされる。この時、リセット動作に伴ってリセットノイズが発生し、フローティングディフュージョンFDにリセットノイズVrnとして残存する。 Next, in FIG. 7B, the reset signal φRSTj of the horizontal j-th pixel row is set to the high potential H from timing t71 to t72, so that the floating diffusion FD of each pixel of the horizontal j-th pixel row. Is reset to the power supply potential VDD via the transistor Q2. At this time, reset noise is generated along with the reset operation, and remains in the floating diffusion FD as reset noise Vrn.
タイミングt73からt74で水平j行目の行選択線162iに印加される画素出力信号φVjが高電位Hにされることで、水平j行目の画素行の各画素のフローティングディフュージョンFDに残存しているリセットノイズVrnが、各画素のノイズ信号Vnoiseとして垂直信号線162jに出力され、サンプルホールド回路162dのCDS用キャパシタの一方に保持される。
The pixel output signal φVj applied to the horizontal j-th
タイミングt75からt76で水平j行目の画素行の転送信号φTXjが高電位Hにされることで、水平j行目の画素行の各画素のフォトダイオードPDの寄生容量Cpに保持されている光電荷Qpが各画素のフローティングディフュージョンFDに完全転送されて光信号Vpとして保持される。 At timing t75 to t76, the transfer signal φTXj of the horizontal j-th pixel row is set to the high potential H, whereby the light held in the parasitic capacitance Cp of the photodiode PD of each pixel of the horizontal j-th pixel row. The charge Qp is completely transferred to the floating diffusion FD of each pixel and held as an optical signal Vp.
タイミングt77からt78で再び水平j行目の画素行の画素出力信号φVjが高電位Hにされることで、水平j行目の画素行の各画素のフローティングディフュージョンFDに完全転送されて保持された光信号VpがトランジスタQ3およびQ4を介して、水平j行目の画素行の各画素の撮像信号Voutとして垂直信号線162jに出力され、サンプルホールド回路162dのCDS用キャパシタの他方に保持される。
At timings t77 to t78, the pixel output signal φVj of the horizontal j-th pixel row is again set to the high potential H, so that it is completely transferred and held in the floating diffusion FD of each pixel of the horizontal j-th pixel row. The optical signal Vp is output to the
サンプルホールド回路162dでは、2つのCDS用キャパシタに保持された水平j行目の各画素の撮像信号Voutとノイズ信号Vnoiseとの差分がとられることによりノイズ除去が行われる。ノイズ除去された撮像信号をVs(=Vout−Vnoise)とする。タイミングt79からt80で、ノイズ除去された撮像信号Vsが、水平転送信号φHに同期して、出力回路162eから出力アンプ162gを介して出力され、A/D変換器164に入力される。続いて水平(j+1)行目の画素行の撮像信号Vsの出力動作に移り、撮像素子162の全水平画素行について同様の動作が順次行われる。
In the sample and hold
上述したように、フォトダイオードPDは埋め込み型フォトダイオードで構成されているために暗電流が非常に小さく、各画素のフォトダイオードPDの寄生容量Cpに保持されている光電荷Cpは、長時間の保持によってもノイズによる影響は非常に少ない。 As described above, since the photodiode PD is composed of an embedded photodiode, the dark current is very small, and the photocharge Cp held in the parasitic capacitance Cp of the photodiode PD of each pixel is long. The influence of noise is very small even by holding.
さらに、各画素のフォトダイオードPDの寄生容量Cpに保持されている光電荷Cpは、フローティングディフュージョンFDに完全転送された後すぐに垂直信号線162jに出力されるため、フローティングディフュージョンFDに保持される時間が短く、フローティングディフュージョンFDに発生する暗電流による影響はほとんど受けない。よって、図4で説明したような「暗電流によって良好な画像が得られない」といったような問題点は発生しない。
Further, since the photocharge Cp held in the parasitic capacitance Cp of the photodiode PD of each pixel is output to the
以上に述べたように、本発明によれば、撮像素子の画素上に遮光部材を設け、該遮光部材を移動させることで光電変換部への入射光の遮光を制御することで、フラッシュ光のような閃光を発する照明部を用いる場合でも露出制御が可能であり、暗電流によるノイズが少なく良好な画像が得られる撮像装置を提供することができる。 As described above, according to the present invention, the light shielding member is provided on the pixel of the image sensor, and the light shielding member is moved to control the shielding of the incident light to the photoelectric conversion unit. It is possible to provide an imaging apparatus that can control exposure even when using an illumination unit that emits such flash light, and that can obtain a good image with less noise due to dark current.
尚、本発明における撮像装置を構成する各構成の細部構成および細部動作に関しては、本発明の趣旨を逸脱することのない範囲で適宜変更可能である。 The detailed configuration and detailed operation of each component constituting the imaging apparatus according to the present invention can be changed as appropriate without departing from the spirit of the present invention.
1 撮像装置
111 操作部
131 表示部
141 照明部
151 制御部
160 撮像部
161 撮像制御部
162 撮像素子
162a 撮像面
162b 画素
162c 垂直走査回路
162d サンプルホールド回路
162e 出力回路
162f 水平走査回路
162g 出力アンプ
162h タイミングジェネレータ
162i 行選択線
162j 垂直信号線
162x 遮光デバイス
621 連結部
623 遮光部材
162y 遮光駆動部
625 第1の櫛歯状電極
627 第2の櫛歯状電極
164 アナログデジタル(A/D)変換器
165 画像処理部
167 遮光制御部
171 測光部
191 記録媒体
211 レンズ
221 レンズ駆動部
PD フォトダイオード
DESCRIPTION OF
Claims (3)
前記光電変換部への入射光の全部または一部を遮光するための遮光部材であって、少なくとも1辺の長さが、ある画素の並び方向に並んだ画素行と当該画素行に隣接する画素行との距離よりも短い遮光片が端部で相互に連結された前記遮光部材と、前記遮光部材の位置を前記光電変換部の上で移動させるための遮光駆動部とを含む遮光デバイスとを備えた撮像装置において、
被写体を照明する照明部と、
前記遮光部材が行う前記光電変換部への入射光の全部または一部の遮光動作を、前記照明部の発光と関連付けて制御する撮像制御部とを備えたことを特徴とする撮像装置。 An image sensor in which pixels having a photoelectric conversion unit are two-dimensionally arranged;
A light shielding member for shielding all or a part of incident light to the photoelectric conversion unit, wherein at least one side has a pixel row arranged in an arrangement direction of pixels and a pixel adjacent to the pixel row A light-shielding device including the light-shielding member in which light-shielding pieces shorter than the distance to the row are connected to each other at an end, and a light-shielding drive unit for moving the position of the light-shielding member on the photoelectric conversion unit In the provided imaging device,
An illumination unit that illuminates the subject;
An image pickup apparatus comprising: an image pickup control unit that controls light blocking operation of all or part of incident light to the photoelectric conversion unit performed by the light blocking member in association with light emission of the illumination unit.
Priority Applications (1)
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