JP2013081116A - Image pickup device and image display system - Google Patents
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Abstract
Description
本開示は、光電変換素子を有する撮像装置、およびそのような撮像装置を備えた撮像表示システムに関する。 The present disclosure relates to an imaging apparatus having a photoelectric conversion element and an imaging display system including such an imaging apparatus.
従来、各画素(撮像画素)に光電変換素子を内蔵する撮像装置として、種々のものが提案されている。例えば特許文献1には、そのような光電変換素子を有する撮像装置の一例として、いわゆる光学式のタッチパネルや、放射線撮像装置などが挙げられている。
2. Description of the Related Art Conventionally, various types of imaging devices have been proposed that incorporate a photoelectric conversion element in each pixel (imaging pixel). For example,
ところで、上記したような撮像装置では、複数の画素を駆動(撮像駆動)することによって撮像画像が得られる。このようにして得られた撮像画像について、従来より高画質化のための様々な手法が提案されているが、更なる高画質化を実現可能な撮像装置の提案が望まれる。 By the way, in the imaging apparatus as described above, a captured image is obtained by driving (imaging driving) a plurality of pixels. Various methods for improving the image quality have been proposed for the captured image obtained in this way, but it is desired to propose an imaging device that can realize further image quality improvement.
本開示はかかる問題点に鑑みてなされたもので、その目的は、撮像画像の高画質化を実現することが可能な撮像装置、およびそのような撮像装置を備えた撮像表示システムを提供することにある。 The present disclosure has been made in view of such problems, and an object of the present disclosure is to provide an imaging device capable of realizing high image quality of a captured image, and an imaging display system including such an imaging device. It is in.
本開示の撮像装置は、撮像装置は、各々が光電変換素子を含む複数の画素を有する撮像部と、光電変換素子により得られた電荷を画素から信号として読み出す読み出し動作と、画素内の電荷をリセットするためのリセット動作とがそれぞれ行われるように、各画素を駆動する駆動部と、読み出し動作により得られた信号に基づいて所定の信号処理を行い、出力信号を生成する信号処理部とを備えたものである。駆動部は、読み出し動作とリセット動作とがそれぞれ所定の単位期間内で間欠的に複数回行われるように、各画素を駆動する。信号処理部は、単位期間内における1回目の読み出し動作により得られた第1の信号と、1回目のリセット動作が行われた後の2回目以降の読み出し動作により得られた第2の信号とに基づいて、信号処理として少なくとも加算処理を行うことにより、出力信号を生成する。 The imaging device according to the present disclosure includes an imaging unit having a plurality of pixels each including a photoelectric conversion element, a read operation for reading out a charge obtained by the photoelectric conversion element as a signal, and a charge in the pixel. A driving unit that drives each pixel so that a reset operation for resetting is performed, and a signal processing unit that performs predetermined signal processing based on a signal obtained by the readout operation and generates an output signal It is provided. The drive unit drives each pixel so that the read operation and the reset operation are intermittently performed a plurality of times within a predetermined unit period. The signal processing unit includes a first signal obtained by the first read operation within the unit period, a second signal obtained by the second and subsequent read operations after the first reset operation is performed, and Based on the above, an output signal is generated by performing at least addition processing as signal processing.
本開示の撮像表示システムは、上記本開示の撮像装置と、この撮像装置により得られた撮像信号に基づく画像表示を行う表示装置とを備えたものである。 The imaging display system of the present disclosure includes the imaging device of the present disclosure and a display device that displays an image based on an imaging signal obtained by the imaging device.
本開示の撮像装置および撮像表示システムでは、上記読出し動作と上記リセット動作がそれぞれ行われるように、各画素が駆動される。このとき、リセット動作が単位期間内で間欠的に複数回行われることにより、リセット動作後における画素内の残留電荷(信号電荷の残存量)が低減される。また、単位期間内における1回目の読み出し動作により得られた第1の信号と、1回目のリセット動作が行われた後の2回目以降の読み出し動作により得られた第2の信号とに基づいて少なくとも加算処理が行われ、出力信号が生成される。すなわち、信号電荷に対応する撮像信号としての第1の信号と、上記残留電荷に対応する信号(残留電荷信号)としての第2の信号との加算処理に基づいて、出力信号が生成される。これにより、出力信号におけるコントラストが向上する。 In the imaging device and the imaging display system according to the present disclosure, each pixel is driven so that the reading operation and the resetting operation are performed. At this time, the reset operation is intermittently performed a plurality of times within the unit period, so that the residual charge (remaining amount of signal charge) in the pixel after the reset operation is reduced. Further, based on the first signal obtained by the first read operation within the unit period and the second signal obtained by the second and subsequent read operations after the first reset operation is performed. At least an addition process is performed, and an output signal is generated. That is, an output signal is generated based on the addition process of the first signal as the imaging signal corresponding to the signal charge and the second signal as the signal corresponding to the residual charge (residual charge signal). This improves the contrast in the output signal.
本開示の撮像装置および撮像表示システムによれば、上記読み出し動作と上記リセット動作とがそれぞれ所定の単位期間内で間欠的に複数回行われるように各画素を駆動すると共に、この単位期間内における1回目の読み出し動作により得られた第1の信号と、1回目のリセット動作が行われた後の2回目以降の読み出し動作により得られた第2の信号とに基づいて少なくとも加算処理を行うことによって出力信号を生成するようにしたので、リセット動作後における画素内の残留電荷を低減することができると共に、出力信号におけるコントラストを向上させることができる。よって、そのような残留電荷に起因した残像を抑えつつ高コントラスト化を図ることができ、撮像画像の高画質化を実現することが可能となる。 According to the imaging device and the imaging display system of the present disclosure, each pixel is driven so that the readout operation and the reset operation are intermittently performed a plurality of times within a predetermined unit period, and At least addition processing is performed based on the first signal obtained by the first read operation and the second signal obtained by the second and subsequent read operations after the first reset operation is performed. Since the output signal is generated by the above, residual charges in the pixel after the reset operation can be reduced and the contrast in the output signal can be improved. Therefore, it is possible to achieve high contrast while suppressing afterimages due to such residual charges, and it is possible to achieve high image quality of the captured image.
以下、本開示の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。なお、説明は以下の順序で行う。
1.実施の形態(パッシブ型の画素回路の例1)
2.変形例
変形例1,2(信号処理部の他の構成例)
変形例3(パッシブ型の画素回路の例2)
変形例4,5(アクティブ型の画素回路の例)
変形例6(複数のフレーム期間を利用して撮像信号・残留電荷信号を取得する例)
変形例7,8(放射線に基づいて撮像を行う撮像部の例)
3.適用例(撮像表示システムへの適用例)
4.その他の変形例
Hereinafter, embodiments of the present disclosure will be described in detail with reference to the drawings. The description will be given in the following order.
1. Embodiment (Example 1 of Passive Pixel Circuit)
2.
Modification 3 (Example 2 of passive pixel circuit)
Modifications 4 and 5 (example of active pixel circuit)
Modification 6 (Example in which an imaging signal / residual charge signal is acquired using a plurality of frame periods)
Modified examples 7 and 8 (examples of imaging units that perform imaging based on radiation)
3. Application example (application example to imaging display system)
4). Other variations
<実施の形態>
[撮像装置1の全体構成]
図1は、本開示の一実施の形態に係る撮像装置(撮像装置1)の全体のブロック構成を表すものである。撮像装置1は、撮像光に基づいて被写体の情報を読み取る(被写体を撮像する)ものである。この撮像装置1は、撮像部11、行走査部13、A/D変換部14、列走査部15、システム制御部16、フレームメモリ18および信号処理部19を備えている。これらのうち、行走査部13、A/D変換部14、列走査部15およびシステム制御部16が、本開示における「駆動部」の一具体例に対応する。
<Embodiment>
[Overall Configuration of Imaging Device 1]
FIG. 1 illustrates an overall block configuration of an imaging apparatus (imaging apparatus 1) according to an embodiment of the present disclosure. The
(撮像部11)
撮像部11は、入射した撮像光に応じて電気信号を発生させるもの(撮像領域)である。この撮像部11では、入射した撮像光の光量に応じた電荷量の光電荷を発生して内部に蓄積する光電変換部(後述する光電変換素子21)を有する画素(撮像画素,単位画素)20が、行列状(マトリクス状)に2次元配置されている。なお、図1中に示したように、以下、撮像部11内における水平方向(行方向)を「H」方向とし、垂直方向(列方向)を「V」方向として説明する。
(Imaging unit 11)
The
図2は、この撮像部11の概略構成例を表したものである。撮像部11には、上記した複数の画素20が配置された光電変換層111が設けられている。この光電変換層111では、図中に示したように、入射した撮像光Linに基づく光電変換(撮像光Linから信号電荷への変換)がなされるようになっている。
FIG. 2 illustrates a schematic configuration example of the
図3は、画素20の回路構成例(いわゆるパッシブ型の回路構成例)を、A/D変換部14内の後述する列選択部17の回路構成例とともに表したものである。このパッシブ型の画素20には、1つの光電変換素子21と、1つのトランジスタ22とが設けられている。この画素20にはまた、H方向に沿って延在する読み出し制御線Lreadと、V方向に沿って延在する信号線Lsigとが接続されている。
FIG. 3 illustrates a circuit configuration example of the pixel 20 (a so-called passive circuit configuration example) together with a circuit configuration example of a
光電変換素子21は、例えばPIN(Positive Intrinsic Negative)型やMIS(Metal Insulator Semiconductor)型のフォトダイオードからなり、前述したように、入射光(撮像光Lin)の光量に応じた電荷量の信号電荷を発生させるようになっている。なお、この光電変換素子21のカソードは、蓄積ノードNに接続されている。
The
トランジスタ22は、読み出し制御線Lreadから供給される行走査信号に応じてオン状態となることにより、光電変換素子21により得られた信号電荷(入力電圧Vin)を信号線Lsigへ出力するトランジスタ(読み出し用トランジスタ)である。このトランジスタ22は、ここではNチャネル型(N型)の電界効果トランジスタ(FET;Field Effect Transistor)により構成されている。ただし、トランジスタ22がPチャネル型(P型)のFET等により構成されていてもよい。このトランジスタ22はまた、例えば、微結晶シリコン(Si)または多結晶シリコン(ポリシリコン)等のシリコン系半導体を用いて構成されている。あるいは、酸化インジウムガリウム亜鉛(InGaZnO)または酸化亜鉛(ZnO)等の酸化物半導体を用いて構成してもよい。微結晶シリコン、多結晶シリコンおよび酸化物半導体は、非晶質シリコン(アモルファスシリコン)と比べて移動度μが高いため、例えばトランジスタ22による信号電荷の高速読み出しが可能となる。
The
この画素20では、トランジスタ22のゲートが読み出し制御線Lreadに接続され、ソースが信号線Lsigに接続され、ドレインが、光電変換素子21のカソード(蓄積ノードN)に接続されている。また、光電変換素子21のアノードは、ここではグランド(接地)に接続されている。
In the
(行走査部13)
図1に示した行走査部13は、例えば図示しないシフトレジスタ回路やアドレスデコーダ、論理回路等を含んで構成されており、撮像部11内の複数の画素20に対して行単位(水平ライン単位)での駆動(線順次走査)を行う画素駆動部(行走査回路)である。具体的には、後述する線順次読み出し駆動や線順次リセット駆動等の線順次撮像駆動の際に、そのような線順次走査を行う。なお、この線順次走査は、読み出し制御線Lreadを介して前述した行走査信号を各画素20へ供給することによって行われるようになっている。
(Row scanning unit 13)
The
(A/D変換部14)
A/D変換部14は、図1に示したように、複数(ここでは4つ)の信号線Lsigごとに1つ設けられた複数の列選択部17を有しており、信号線Lsigを介して入力した信号電圧(信号電荷)に基づいてA/D変換(アナログ/デジタル変換)を行うものである。これにより、デジタル信号からなる出力データ(後述する撮像信号D11または残留電荷信号D12)が生成され、後述するフレームメモリ18および信号処理部19へ出力されるようになっている。
(A / D converter 14)
As shown in FIG. 1, the A / D conversion unit 14 includes a plurality of
各列選択部17は、例えば図3および図4に示したように、チャージアンプ172、容量素子(コンデンサ,フィードバック容量素子)C1、スイッチSW1、サンプルホールド(S/H)回路173、4つのスイッチSW2を含むマルチプレクサ回路(選択回路)174、およびA/Dコンバータ175を有している。これらのうち、チャージアンプ172、容量素子C1、スイッチSW1、S/H回路173およびスイッチSW2はそれぞれ、図4に示したように、信号線Lsigごとに1つずつ設けられている。一方、マルチプレクサ回路174およびA/Dコンバータ175は、列選択部17全体として1つ設けられている。
Each
チャージアンプ172は、信号線Lsigから読み出された信号電荷を電圧に変換(Q−V変換)するためのアンプ(増幅器)である。このチャージアンプ172では、負側(−側)の入力端子に信号線Lsigの一端が接続され、正側(+側)の入力端子には所定のリセット電圧Vrstが入力されるようになっている。また、チャージアンプ172の出力端子と負側の入力端子との間は、容量素子C1とスイッチSW1との並列接続回路を介して帰還接続(フィードバック接続)されている。すなわち、容量素子C1の一方の端子がチャージアンプ172の負側の入力端子に接続され、他方の端子がチャージアンプ172の出力端子に接続されている。同様に、スイッチSW1の一方の端子がチャージアンプ172の負側の入力端子に接続され、他方の端子がチャージアンプ172の出力端子に接続されている。なお、このスイッチSW1のオン・オフ状態は、システム制御部16からアンプリセット制御線Lcarstを介して供給される制御信号(アンプリセット制御信号)によって制御されるようになっている。このようにして、チャージアンプ172、容量素子C1およびスイッチSW1によって、上記したQ−V変換を行うチャージアンプ回路が形成されている。
The
S/H回路173は、チャージアンプ172とマルチプレクサ回路174(スイッチSW2)との間に配置されており、チャージアンプ172からの出力電圧Vcaを一時的に保持するための回路である。
The S /
マルチプレクサ回路174は、列走査部15による走査駆動に従って4つのスイッチSW2のうちの1つが順次オン状態となることにより、各S/H回路173とA/Dコンバータ175との間を選択的に接続または遮断する回路である。
The multiplexer circuit 174 selectively connects each S /
A/Dコンバータ175は、スイッチSW2を介して入力されたS/H回路173からの出力電圧に対してA/D変換を行うことにより、上記した出力データ(撮像信号D11または残留電荷信号D12)を生成して出力する回路である。
The A /
(列走査部15・システム制御部16)
列走査部15は、例えば図示しないシフトレジスタやアドレスデコーダ等を含んで構成されており、上記した列選択部17内の各スイッチSW2を走査しつつ順番に駆動するものである。このような列走査部15による選択走査によって、信号線Lsigの各々を介して読み出された各画素20の信号(上記した撮像信号D11または残留電荷信号D12)が、フレームメモリ18および信号処理部19へ順番に出力されるようになっている。
(
The
システム制御部16は、行走査部13、A/D変換部14および列走査部15の動作を制御するものである。具体的には、このシステム制御部16は、前述した各種のタイミング信号(制御信号)を生成するタイミングジェネレータを有しており、このタイミングジェネレータにおいて生成される各種のタイミング信号を基に、行走査部13、A/D変換部14および列走査部15の駆動制御を行う。このようにして、システム制御部16の制御に基づいて、行走査部13、A/D変換部14および列走査部15がそれぞれ撮像部11内の複数の画素20に対する撮像駆動(線順次撮像駆動)を行うことにより、撮像部11から出力データ(撮像信号D11または残留電荷信号D12)が取得されるようになっている。
The
(フレームメモリ18・信号処理部19)
フレームメモリ18は、A/D変換部14からの出力データ(撮像信号D11および残留電荷信号D12)を一時的に保持しておくための記憶部であり、例えばSRAM(Static Random Access Memory)等の種々のメモリを用いて構成されている。
(
The
信号処理部19は、A/D変換部14から出力されてフレームメモリ18に一時的に保持されているデータ(撮像信号D11および残留電荷信号D12)に基づいて、後述する所定の信号処理を行うことにより、出力データDout(出力信号)を生成するものである。具体的には、詳細は後述するが、所定の単位期間(ここでは1フレーム期間)内における1回目の読み出し動作により得られた撮像信号D11(第1の信号)と、1回目のリセット動作が行われた後の2回目以降(ここでは2回目)の読み出し動作により得られた信号である残留電荷信号D12(第2の信号)とに基づいて、所定の信号処理を行う。また、この所定の処理としては、少なくとも後述する加算処理を行い、ここでは、この加算処理に加え、後述する重み付け処理および線形化処理をも行うようになっている。
The
図5は、これらフレームメモリ18および信号処理部19における詳細なブロック構成例を表したものである。
FIG. 5 shows a detailed block configuration example in the
フレームメモリ18は、ここでは、2つのフレームメモリ181,182を有している。フレームメモリ181は、上記した1回目の読み出し動作により得られる撮像信号D11を一時的に保持するためのフレームメモリである。一方、フレームメモリ182は、上記した2回目以降(ここでは2回目)の読み出し動作により得られる残留電荷信号D12を一時的に保持するためのフレームメモリである。
Here, the
信号処理部19は、ここでは、重み付け処理部191、加算処理部192および線形化処理部193を有している。
Here, the
重み付け処理部191は、フレームメモリ182から供給される残留電荷信号D12に対して、後述する所定の重み付け処理を行うものである。具体的には、後述する所定の重み付け係数kを用いて、そのような重み付け処理を行う。詳細には、重み付け処理部191は、残留電荷信号D12に対して重み付け係数kを乗算することにより、重み付け信号(k×D12)を生成するようになっている。
The
加算処理部192は、フレームメモリ182から供給される撮像信号D11と、重み付け処理部191から供給される重み付け信号(k×D12)とを加算処理するものである。これにより、そのような加算処理後の信号である合成信号D2(=D11+k×D12)が生成されるようになっている。
The
線形化処理部193は、加算処理部192から供給される合成信号D2に対して後述する所定の線形化処理を行うことにより、出力データDoutを生成するものである。ここで、詳細は後述するが、この線形化処理とは、撮像の際の露光強度と出力信号(出力データDout)の信号強度との対応関係を線形化するための処理である。
The
このようにして信号処理部19において信号処理が行われ、出力データDoutが生成され、外部へ出力されるようになっている。なお、この信号処理部19における信号処理動作の詳細については、後述する。
In this way, signal processing is performed in the
[撮像装置1の作用・効果]
(1.基本動作)
この撮像装置1では、図2に示したように、後述する露光期間Texにおいて撮像光Linが撮像部11へ入射すると、光電変換層111(図3に示した各画素20内の光電変換素子21)では、この撮像光Linが信号電荷に変換(光電変換)される。この光電変換によって発生した信号電荷により、蓄積ノードNでは蓄積ノード容量に応じた電圧変化が生じる。具体的には、蓄積ノード容量をCs、発生した信号電荷をqとすると、蓄積ノードNでは(q/Cs)の分だけ電圧が低下する。このような電圧変化に応じて、トランジスタ22のドレインには入力電圧Vin(信号電荷に対応した電圧)が印加される。このトランジスタ22へ供給される入力電圧Vinは、読み出し制御線Lreadから供給される行走査信号に応じてトランジスタ22がオン状態になると、その電荷が画素20から信号線Lsigへ読み出される(読み出し期間)。
[Operation and Effect of Imaging Device 1]
(1. Basic operation)
In the
このようにして読み出された信号電荷は、信号線Lsigを介して複数(ここでは4つ)の画素列ごとに、A/D変換部14内の列選択部17へ入力される。列選択部17では、まず、各信号線Lsigから入力される信号電荷ごとに、チャージアンプ172等からなるチャージアンプ回路においてQ−V変換(信号電荷から信号電圧への変換)を行う。次いで、変換された信号電圧(チャージアンプ回路172からの出力電圧Vca)ごとに、S/H回路173およびマルチプレクサ回路174を介してA/Dコンバータ175においてA/D変換を行い、デジタル信号からなる出力データ(撮像信号D11または残留電荷信号D12)を生成する。このようにして、各列選択部17から上記出力データが順番に出力され、フレームメモリ18および信号処理部19へ供給される。そして、信号処理部19では、これらの撮像信号D11および残留電荷信号D12を用いて所定の信号処理を行うことによって最終的な出力データDoutを生成し、外部へ出力する。
The signal charges read out in this way are input to the
(2.露光期間Tex・読み出し期間における動作)
ここで、図6(A),(B)を参照して、上記した露光期間Texおよび読み出し期間における画素20および列選択部17内のチャージアンプ回路の動作について、詳細に説明する。なお、以下では説明の便宜上、トランジスタ22のオン・オフ状態を、スイッチを用いて図示している。
(2. Operation during exposure period Tex and readout period)
Here, with reference to FIGS. 6A and 6B, operations of the
まず、図6(A)に示したように、画素20内の光電変換素子21へ撮像光Linが入射する露光期間Texでは、蓄積ノードNに蓄積された信号電荷が露光期間Tex中には信号線Lsig側へ出力されない(読み出されない)よう、トランジスタ22はオフ状態となっている。なお、このときチャージアンプ回路では、後述するアンプリセット動作(チャージアンプ回路のリセット動作)がなされた後の状態であるため、スイッチSW1がオン状態となっており、結果としてボルテージフォロワ回路が形成されている。
First, as shown in FIG. 6A, in the exposure period Tex in which the imaging light Lin is incident on the
一方、上記した読み出し期間は、本実施の形態では、画素20内に蓄積された電荷(信号電荷)をリセットするためのリセット動作(画素リセット動作)を行う期間ともなっている。すなわち、本実施の形態の画素20はパッシブ型の画素回路となっていることに起因して、光電変換素子21により得られた信号電荷を画素20から読み出す「読み出し動作」と、上記した「リセット動作」とが、実質的に同時に(並行して)行われる。換言すると、詳細は後述するが、この読み出し動作を線順次で行うための線順次読み出し駆動と、リセット動作を線順次で行うための線順次リセット駆動とが、単一の線順次駆動によって(実質的に)同時に行われる。なお、このときの読み出し動作およびリセット動作はそれぞれ、後述する複数回(ここでは2回)の読み出し動作およびリセット動作のうちの、1回目の読み出し動作およびリセット動作に対応している。このことから、以下では、この1回目の読み出し動作と1回目のリセット動作とが実質的同時に行われる期間を、「第1読み出し/リセット期間Tr1」と称する。
On the other hand, the above readout period is also a period for performing a reset operation (pixel reset operation) for resetting charges (signal charges) accumulated in the
この第1読み出し/リセット期間Tr1では、図6(B)に示したように、トランジスタ22がオン状態となることにより、画素20内の蓄積ノードNから信号線Lsig側へ信号電荷が読み出される(図中の矢印P11参照)。このようにして読み出された信号電荷は、チャージアンプ回路へ入力される。ここで、この第1読み出し/リセット期間Tr1では、チャージアンプ回路におけるスイッチSW1は、オフ状態となっている。すなわち、チャージアンプ回路が読み出し動作状態となっている。したがって、このチャージアンプ回路へ入力された信号電荷は容量素子C1に蓄積され、その蓄積電荷に応じた信号電圧(出力電圧Vca)がチャージアンプ172から出力される。このようにしてチャージアンプ回路において、信号電荷から信号電圧への変換(Q−V変換)がなされる。そして、このような1回目の読み出し動作により、図中に示したように、信号電荷に対応した撮像信号D11が列選択部17から出力される。なお、このようにして容量素子C1に蓄積された電荷は、後述するアンプリセット動作の際にスイッチSW1がオン状態となることにより、リセットされる(アンプリセット動作がなされる)ようになっている。
In the first readout / reset period Tr1, as shown in FIG. 6B, when the
また、このような1回目の読み出し動作とともに、この第1読み出し/リセット期間Tr1では、以下のようにして1回目のリセット動作(第1のリセット動作)が行われる。すなわち、図中の矢印P12で示したように、チャージアンプ回路(チャージアンプ172)における仮想短絡(イマジナリー・ショート)現象を利用して、1回目のリセット動作がなされる。つまり、この仮想短絡現象によって、チャージアンプ172における負側の入力端子側(信号線Lsig側)の電圧が、正側の入力端子に印加されているリセット電圧Vrstに略等しくなることから、トランジスタ22を介して画素20内の蓄積ノードNも、このリセット電圧Vrstとなるのである。このようにして、上記した1回目の読み出し動作に伴い、蓄積ノードNの蓄積電荷が所定のリセット電圧Vrstにリセットされる。
In addition to the first read operation, the first reset operation (first reset operation) is performed in the first read / reset period Tr1 as follows. That is, as indicated by an arrow P12 in the figure, the first reset operation is performed using the virtual short circuit (imaginary short) phenomenon in the charge amplifier circuit (charge amplifier 172). That is, due to this virtual short-circuit phenomenon, the voltage on the negative input terminal side (signal line Lsig side) of the
(3.1回目のリセット動作後における画素20内での信号電荷の残存について)
ところで、上記のような1回目のリセット動作を行ったにも関わらず、この1回目のリセット動作前に蓄積された信号電荷の一部が、画素20内に残存してしまう場合がある。このように信号電荷の一部が画素20内に残ってしまうと、次の読み出し動作時(次のフレーム期間での撮像時)においてその残留電荷に起因した残像が発生し、撮像画質が低下してしまう。以下、図7〜図12を参照して、このような1回目のリセット動作後における画素20内での信号電荷の残存(蓄積電荷の残留)について、詳細に説明する。
(3.1 Remaining signal charge in the
Incidentally, in spite of performing the first reset operation as described above, a part of the signal charges accumulated before the first reset operation may remain in the
まず、光電変換素子21がPIN型のフォトダイオード(薄膜フォトダイオード)の場合、以下の2つの構造のものに大別される。すなわち、図7(A),(B)に示したような、いわゆるラテラル型(横型)構造のものと、図8に示したような、いわゆるバーティカル型(縦型)構造のものである。
First, when the
図7(A),(B)に示したラテラル型構造の場合、光電変換素子21は横方向(積層面内方向)に沿って、p型半導体層21P、真性半導体層(i層)21Iおよびn型半導体層21Nを、この順に有している。また、真性半導体層21I付近でゲート絶縁膜(図示せず)を介して対向配置された、ゲート電極21Gを有している。一方、図8に示したバーティカル型構造の場合、光電変換素子21は縦方向(積層方向)に沿って、例えば、下部電極211a、p型半導体層21P、真性半導体層21I、n型半導体層21Nおよび上部電極211bを、この順に有している。
In the case of the lateral type structure shown in FIGS. 7A and 7B, the
(3−1.強外光が照射されて画素20内の電荷が飽和する場合の発生メカニズム)
ここで、上記した信号電荷の残存が発生するメカニズムの一例として、強外光が照射されて画素20内の電荷が飽和してしまう場合について、上記したラテラル型構造のPIN型のフォトダイオードからなる光電変換素子21を例に挙げて説明する。この構造の光電変換素子21では、ゲート電極21Gに印加されるゲート電圧により、真性半導体層21Iが、蓄積状態(飽和状態)、空乏状態、反転状態のいずれかの状態となる。ここで、薄膜フォトダイオードの場合、この蓄積状態もしくは反転状態においてゲート電極21G側の界面に電荷が誘起された状態(図7(A))から、空乏状態(図7(B))に遷移するには、数百μsオーダーの時間が必要となる。通常、PIN型のフォトダイオードは、空乏状態で光感度が最大となるため空乏状態で使用するが、例えば強外光が照射されてVnp<0Vの状態になると、蓄積状態に移行する。なお、Vnpは、p型半導体層21P側から見たn型半導体層21Nの電位である。
(3-1. Occurrence mechanism when the charge in the
Here, as an example of the mechanism in which the signal charge remains as described above, the case where the charge in the
このため、例えば、強外光が照射された直後に暗状態に環境が変化し、かつリセット動作(1回目のリセット動作)が行われてVnp>0の状態に戻っても、数百μsの間は蓄積状態から空乏状態に遷移できない。このとき、空乏状態と、蓄積状態もしくは反転状態とでは、上記したゲート電極21G側の界面に誘起された電荷の影響により、PIN型のフォトダイオードにおける容量特性が異なることが知られている。すなわち、図7(A),(B)に示したように、ゲート電極21Gとp型半導体層21Pと間に形成される寄生容量Cgpは、蓄積状態では大きく、空乏状態では小さい。
For this reason, for example, even if the environment changes to a dark state immediately after irradiation with strong external light and a reset operation (first reset operation) is performed and the state returns to the state of Vnp> 0, it is several hundred μs. During this time, it is not possible to transition from the accumulated state to the depleted state. At this time, it is known that the capacitance characteristics of the PIN photodiode are different between the depletion state and the accumulation state or the inversion state due to the influence of the charge induced at the interface on the
一方、画素20内の蓄積ノードN(蓄積容量)は、上記した1回目のリセット動作によって所定のリセット電圧Vrstとなるが、この1回目のリセット動作後にトランジスタ22がオン状態からオフ状態に遷移する際に、以下の現象が起こる。すなわち、例えば図9に示したように、画素20内の寄生容量(トランジスタ22のゲート・ドレイン間に形成された寄生容量Cgd)に蓄積された電荷に起因して、蓄積ノードNの電位がリセット電圧Vrstから微小に変動する(図中の矢印P2参照)。このような現象は、電荷分配現象(チャージインジェクション現象)と呼ばれる。
On the other hand, the storage node N (storage capacitor) in the
ここで、上述したように、蓄積ノードNに接続されているPIN型のフォトダイオード(光電変換素子21)における寄生容量Cgpが、空乏状態と蓄積もしくは反転常態とで異なる場合、この光電変換素子21の状態によって、画素20内における全体のカップリング量(寄生容量の大きさ)が変化してしまう。これが影響して、1回目のリセット動作後においても、直前まで入射していた光(撮像光Lin)の情報(電荷)が、蓄積ノードNに残ってしまう。このようなメカニズムにより、強外光が照射されて画素20内の電荷が飽和してしまう場合には、1回目のリセット動作を行ったにも関わらず、この1回目のリセット動作前に蓄積された信号電荷の一部が、画素20内に残存してしまうのである。
Here, as described above, when the parasitic capacitance Cgp in the PIN type photodiode (photoelectric conversion element 21) connected to the storage node N differs between the depletion state and the storage or inversion normal state, the
(3−2.一般的な発生メカニズム)
次いで、上記したような場合(強外光が照射されて画素20内の電荷が飽和してしまう場合)には限定されない、信号電荷の残存(残留電荷)の一般的な発生メカニズムについて説明する。つまり、上記したような、容量変化が発生するような強外光が照射されなくても、以下説明するDecay電流が光電変換素子21(PIN型のフォトダイオード)から生ずることによって、残留電荷が発生することについて説明する。
(3-2. General generation mechanism)
Next, a general generation mechanism of signal charge remaining (residual charge), which is not limited to the above-described case (the case where the charge in the
図10(A),(B)はそれぞれ、前述したPIN型のフォトダイオードにおける、エネルギーバンド構造(各層の位置とエネルギー準位との関係)を表したものである。これらの図から分かるように、真性半導体層21Iには多数の欠陥準位Edが存在している。そして、図10(A)に示したように、第1読み出し/リセット期間Tr1(1回目のリセット動作)の終了直後においては、これらの欠陥準位Edに電荷eが捕獲(トラップ)された状態となっている。ところが、例えば図10(B)に示したように、第1読み出し/リセット期間Tr1からある程度の時間が経過すると、欠陥順位Edにトラップされている電荷eが、真性半導体層21Iからフォトダイオード(光電変換素子21)の外部へ放出される(図中の破線の矢印参照)。これにより、上記したDecay電流Idacayが光電変換素子21から発生する。
FIGS. 10A and 10B each show an energy band structure (relation between the position of each layer and the energy level) in the PIN photodiode described above. As can be seen from these figures, the intrinsic semiconductor layer 21I has a large number of defect levels Ed. Then, as shown in FIG. 10A, immediately after the end of the first read / reset period Tr1 (first reset operation), the charge e is trapped in these defect levels Ed. It has become. However, as shown in FIG. 10B, for example, when a certain amount of time has elapsed from the first read / reset period Tr1, the charge e trapped in the defect order Ed is transferred from the intrinsic semiconductor layer 21I to the photodiode (photoelectric). It is emitted to the outside of the conversion element 21) (see broken line arrow in the figure). As a result, the decay current Idacay described above is generated from the
ここで、図11(A),(B)はそれぞれ、第1読み出し/リセット期間Tr1後の経過時間tとDecay電流Idecayとの関係の一例を表したものである。図11(A)では、縦軸および横軸とも対数(log)スケールで示し、図11(B)では、縦軸を対数スケールで示す一方、横軸については線形(リニア)スケールで示している。なお、図11(A),(B)中には、特性線のうちの一部の共通領域を、符号G1で示している。これらの図から分かるように、Decay電流Idecayは、第1読み出し/リセット期間Tr1の終了時(t=0)から時間の経過とともに相乗的に減少していく傾向にある(Idecay=(I0/t),I0:定数値)。また、このときに発生する残留電荷(q1とする)は、例えば図12に示したように、Decay電流Idecay=(I0/t)を経過時間tで積分することにより求められることが分かる。 Here, FIGS. 11A and 11B each show an example of the relationship between the elapsed time t after the first read / reset period Tr1 and the decay current Idecay. In FIG. 11A, both the vertical axis and the horizontal axis are shown on a logarithmic scale, and in FIG. 11B, the vertical axis is shown on a logarithmic scale, while the horizontal axis is shown on a linear scale. . In FIGS. 11A and 11B, a part of the common line among the characteristic lines is denoted by reference numeral G1. As can be seen from these figures, the decay current Idecay tends to decrease synergistically with the passage of time from the end of the first read / reset period Tr1 (t = 0) (Idecay = (I 0 / t), I 0 : constant value). Further, it can be seen that the residual charge (q1) generated at this time is obtained by integrating the decay current Idecay = (I 0 / t) with the elapsed time t as shown in FIG. 12, for example.
以上のような一般的な発生メカニズムにより、1回目のリセット動作を行ったにも関わらず、この1回目のリセット動作前に蓄積された信号電荷の一部が、画素20内に残存してしまう(上記した残留電荷q1が発生してしまう)のである。
Due to the general generation mechanism as described above, a part of the signal charge accumulated before the first reset operation remains in the
(4.複数回のリセット動作を利用した残留電荷の低減作用)
そこで本実施の形態では、例えば図13および図14に示したように、複数回(ここでは2回)のリセット動作を行うことによって上記した残留電荷を低減し、この残留電荷に起因した残像を抑えるようにしている。以下、この複数回のリセット動作を利用した残留電荷の低減作用について、詳細に説明する。
(4. Reducing residual charge using multiple reset operations)
Therefore, in the present embodiment, as shown in FIGS. 13 and 14, for example, the above-described residual charge is reduced by performing the reset operation a plurality of times (here, twice), and an afterimage caused by the residual charge is reduced. I try to suppress it. Hereinafter, the action of reducing the residual charge using the plurality of reset operations will be described in detail.
図13において、(A)は読み出し制御線Lreadの電位Vreadのタイミング波形を、(B)は、チャージアンプ172からの出力電圧Vcaのタイミング波形を、(C)は信号線Lsigの電位Vsigのタイミング波形を、(D)は蓄積ノードNの電位Vnのタイミング波形を、それぞれ示す。また、これらの各タイミング波形は、1垂直期間(1フレーム期間)ΔTvを含む前後の期間についてのものである。
13A shows a timing waveform of the potential Vread of the read control line Lread, FIG. 13B shows a timing waveform of the output voltage Vca from the
また、図14は、本実施の形態に係る線順次撮像駆動(線順次読み出し駆動および線順次リセット駆動)の一例を、タイミング波形図で表わしたものである。ここで、(A)〜(F)はそれぞれ、n本の読み出し制御線Lread(1)〜Lread(3),Lread(n−2)〜Lread(n)の電位Vread(1)〜Vread(3),Vread(n−2)〜Vread(n)のタイミング波形を示している。また、図中に示したΔThは、1水平期間(1水平走査期間)を表している。更に、ΔTr1は、1回目のリセット動作等(第1読み出し/リセット期間Tr1の動作)についての線順次駆動期間を、ΔTr2は、2回目のリセット動作等(第2読み出し/リセット期間Tr2の動作)についての線順次駆動期間を、それぞれ表している。 FIG. 14 is a timing waveform diagram showing an example of line-sequential imaging driving (line-sequential readout driving and line-sequential reset driving) according to the present embodiment. Here, (A) to (F) are potentials Vread (1) to Vread (3) of n read control lines Lread (1) to Lread (3) and Lread (n−2) to Lread (n), respectively. ), Vread (n-2) to Vread (n). Further, ΔTh shown in the drawing represents one horizontal period (one horizontal scanning period). Furthermore, ΔTr1 is a line sequential drive period for the first reset operation or the like (operation in the first readout / reset period Tr1), and ΔTr2 is the second reset operation or the like (operation in the second readout / reset period Tr2). The line-sequential driving periods for are respectively shown.
この1フレーム期間ΔTvでは、まずタイミングt11〜t12の露光期間Texにおいて、図6(A)等を用いて前述したようにして、露光動作が行われる。すなわち、撮像光Linが撮像部11へ入射すると、各画素20内の光電変換素子21では、この撮像光Linが信号電荷に変換(光電変換)される。そして、この信号電荷が画素20内の蓄積ノードNに蓄積され、その電位Vnが徐々に変化する(図13中の矢印P31参照)。なお、この露光動作に伴って、電位Vnがリセット電圧Vrst側から0Vへ向けて徐々に低下していっているのは、ここでは光電変換素子21のカソード側が蓄積ノードNとなっているためである。
In this one frame period ΔTv, first, an exposure operation is performed in the exposure period Tex at timings t11 to t12 as described above with reference to FIG. That is, when the imaging light Lin enters the
次いで、タイミングt13〜t14の第1読み出し/リセット期間Tr1では、図6(B)等を用いて前述したようにして、1回目の読み出し動作と1回目のリセット動作(画素リセット動作)とが行われる。すなわち、画素20から信号電荷を読み出すことによってこの信号電荷に対応する撮像信号D11を取得する1回目の読み出し動作と、この画素20内の信号電荷をリセットするための1回目のリセット動作とが、実質的に同時に行われる。ただし、図13中の矢印P32で示したように、この1回目のリセット動作後において蓄積ノードNの電位Vnが徐々に低下していき、前述した残留電荷q1が発生してしまっている。
Next, in the first readout / reset period Tr1 at timings t13 to t14, the first readout operation and the first reset operation (pixel reset operation) are performed as described above with reference to FIG. Is called. That is, the first read operation for acquiring the imaging signal D11 corresponding to the signal charge by reading the signal charge from the
なお、その後のタイミングt15では、チャージアンプ回路におけるスイッチSW1がオン状態となることにより、このチャージアンプ回路内の容量素子C1に蓄積された電荷がリセットされる。すなわち、チャージアンプ回路のリセット動作(アンプリセット動作)が行われる。 At subsequent timing t15, the switch SW1 in the charge amplifier circuit is turned on, so that the charge accumulated in the capacitive element C1 in the charge amplifier circuit is reset. That is, the reset operation (amplifier reset operation) of the charge amplifier circuit is performed.
続いて、その後のタイミングt16〜t17において、以下説明する2回目の読み出し動作および2回目のリセット動作(第2読み出し/リセット動作)が、それぞれ行われる(第2読み出し/リセット期間Tr2)。つまり、この第2読み出し/リセット期間Tr2では、上記した第1読み出し/リセット期間Tr1と同様に、読み出し動作とリセット動作とが、実質的に同時に(並行して)行われる。換言すると、この読み出し動作を線順次で行うための線順次読み出し駆動と、リセット動作を線順次で行うための線順次リセット駆動とが、単一の線順次駆動によって(実質的に)同時に行われる。ただし、この2回目の読み出し動作では、上記した1回目の読み出し動作(撮像信号D11を取得する動作)とは異なり、以下説明するように、画素20から前述した残留電荷q1を読み出すことにより、この残留電荷q1に対応する残留電荷信号(Decay信号)D12が得られるようになっている。
Subsequently, at subsequent timings t16 to t17, a second read operation and a second reset operation (second read / reset operation) described below are performed (second read / reset period Tr2), respectively. That is, in the second read / reset period Tr2, as in the first read / reset period Tr1, the read operation and the reset operation are performed substantially simultaneously (in parallel). In other words, the line-sequential readout drive for performing this readout operation in line-sequential manner and the line-sequential reset drive for performing the reset operation in line-sequential manner are (substantially) performed simultaneously by a single line-sequential drive. . However, in the second read operation, unlike the first read operation described above (operation for acquiring the imaging signal D11), as described below, the above-described residual charge q1 is read from the
この第2読み出し/リセット期間Tr2では、具体的には、例えば図15に示した動作例のようにして、2回目のリセット動作および2回目の読み出し動作が行われる。すなわち、この動作例では、前述した1回目のリセット動作のときと同様に、チャージアンプ回路(チャージアンプ172)における仮想短絡現象を利用して、2回目のリセット動作がなされる(図中の矢印P42参照)。つまり、この仮想短絡現象によって、画素20内の蓄積ノードNの電位Vnがリセット電圧Vrstに設定される。また、この動作例では、第1読み出し/リセット期間Tr1のときと同様に、画素20内のトランジスタ22がオン状態であると共にチャージアンプ回路におけるスイッチSW1がオフ状態であることから、チャージアンプ回路が読み出し動作状態となっている。つまり、図中の矢印P41で示したように、この動作例では、蓄積ノードNに残存している電荷(前述した残留電荷q1)を、チャージアンプ回路によって読み出すことも可能となっている。したがって、この2回目の読み出し動作により、図中に示したように、残留電荷q1に対応した残留電荷信号D12が列選択部17から出力される。
Specifically, in the second read / reset period Tr2, for example, the second reset operation and the second read operation are performed as in the operation example illustrated in FIG. That is, in this operation example, the second reset operation is performed using the virtual short-circuit phenomenon in the charge amplifier circuit (charge amplifier 172) as in the case of the first reset operation described above (arrow in the figure). (See P42). That is, the potential Vn of the storage node N in the
このようにして本実施の形態では、画素20内の蓄積電荷のリセット動作(線順次リセット駆動)が、所定の単位期間(ここでは1フレーム期間)内で、間欠的に(独立して)複数回行われる。具体的には、ここでは1回目のリセット動作(第1読み出し/リセット期間Tr1)と2回目のリセット動作(第2読み出し/リセット期間Tr2)とが、1フレーム期間内で間欠的に行われるように設定されている。これにより、1回目のリセット動作後における画素20内の残留電荷q1(信号電荷の残存量)がより確実にリセットされ、そのような残留電荷q1が低減される(図13中に示した矢印P33参照)。
As described above, in the present embodiment, the reset operation (line-sequential reset driving) of the accumulated charges in the
具体的には、1回目のリセット動作の終了時(Tr1の終了時)から2回目のリセット動作の終了時(Tr2の終了時)までの時間をΔt12とすると(図13参照)、発生した残留電荷q1のうちの低減される電荷量は、例えば図16に示したようになる。すなわち、例えば図12において説明した残留電荷q1のうち、時間Δt12の開始時t1(=0)から終了時t2までの時間積分値に対応する電荷q12が、この2回目のリセット動作によって排出される(低減する)電荷量に相当する。また、(q1−q12)=q23により算出される電荷q23が、2回目のリセット動作後においても残存する電荷量に相当する。このため、上記した時間Δt12ができるだけ長くなるように設定するのが望ましいと言える。以上のようにして、1回目のリセット動作後における画素20内の残留電荷q1が低減され、その結果、次の読み出し動作時(次のフレーム期間での撮像時)において、この残留電荷に起因した残像の発生が抑えられ、撮像画質を向上させることができる。
Specifically, if the time from the end of the first reset operation (Tr1 end) to the end of the second reset operation (Tr2 end) is Δt12 (see FIG. 13), the generated residual The amount of charge to be reduced among the charges q1 is, for example, as shown in FIG. That is, for example, out of the residual charge q1 described in FIG. 12, the charge q12 corresponding to the time integral value from the start time t1 (= 0) to the end time t2 of the time Δt12 is discharged by this second reset operation. This corresponds to the amount of charge (reducing). Further, the charge q23 calculated by (q1-q12) = q23 corresponds to the amount of charge remaining even after the second reset operation. For this reason, it can be said that it is desirable to set the time Δt12 as long as possible. As described above, the residual charge q1 in the
なお、このような複数回のリセット動作(線順次リセット駆動)は、例えば1水平期間(1水平走査期間:一例として32μs程度)を超える期間に亘って間欠的に行われるようにするのが望ましい。これは、以下の理由によるものである。すなわち、前述したように、PIN型のフォトダイオードにおける状態遷移には、数百μs程度の時間がかかる。このことから、例えば100μs程度の時間、リセット電圧Vrstを連続的または間欠的に蓄積ノードNに与えることで、残留電荷の発生を低減することができると考えられる。ただし、実際には、このリセット電圧Vrstを与える期間が1水平期間(例えば32μs程度)を超えると残留電荷が大きく減少し始めることが、実験等により確認されている。 It should be noted that such a plurality of reset operations (line-sequential reset drive) are desirably performed intermittently over a period exceeding, for example, one horizontal period (one horizontal scanning period: about 32 μs as an example). . This is due to the following reason. That is, as described above, the state transition in the PIN photodiode takes about several hundreds of μs. From this, it is considered that the generation of residual charges can be reduced by applying the reset voltage Vrst to the storage node N continuously or intermittently for a time of, for example, about 100 μs. However, in practice, it has been confirmed by experiments and the like that the residual charge starts to greatly decrease when the period during which the reset voltage Vrst is applied exceeds one horizontal period (for example, about 32 μs).
(5.複数回の読み出し動作を利用した撮像画像の高コントラスト化作用)
また、本実施の形態では、例えば以下の図17〜図19に示したようにして、信号処理部19において、複数回(ここでは2回)の読み出し動作を利用した信号処理を行う。すなわち、まず、読み出し動作(線順次読み出し駆動)が、所定の単位期間(ここでは1フレーム期間)内で間欠的に(独立して)複数回行われる。そして、信号処理部19が、このような読み出し動作により得られた信号(撮像信号D11および残留電荷信号D12)に基づいて以下説明する所定の信号処理を行い、出力データDout(出力信号)を生成する。これにより、撮像画像の高コントラスト化を図るようにしている。以下、この複数回の撮像動作を利用した撮像画像の高コントラスト化作用(信号処理部19における信号処理動作)について、詳細に説明する。
(5. High-contrast action of captured images using multiple readout operations)
Further, in the present embodiment, for example, as shown in FIGS. 17 to 19 below, the
まず、例えば図17に示したように、撮像の際の撮像部11への露光強度(撮像光Linの強度)と、電荷量に対応する各信号(撮像信号D11および残留電荷信号D12)の信号強度とは、互いに比例関係にある。換言すると、露光強度が増加するのに応じて、撮像信号D11および残留電荷信号D12がそれぞれ、線形的に増加する。このような線形関係(比例関係)を利用して、信号処理部19では、例えば以下の第1または第2の信号処理手法による信号処理(加算処理等)を行い、出力データDoutにおける高コントラスト化を実現している。
First, as shown in FIG. 17, for example, the exposure intensity (intensity of the imaging light Lin) to the
(第1の信号処理手法)
第1の信号処理手法では、最初に、例えば図18(A)に示したようにして、重み付け処理および加算処理が行われる。すなわち、まず、重み付け処理部191が、フレームメモリ182から供給される残留電荷信号D12に対して所定の重み付け係数kを乗算することによって重み付け処理を行い、重み付け信号(k×D12)を生成する。
(First signal processing method)
In the first signal processing method, first, for example, as shown in FIG. 18A, weighting processing and addition processing are performed. That is, first, the
ここで、この重み付け係数kは、例えば図18(A)における下図に示したように、一定の値(固定値)ではなく、残留電荷信号D12の信号強度に応じて、0〜1.0の間で変化するように設定されている。具体的には、ここでは、残留電荷信号D12の信号強度が相対的に低い場合には、その信号強度が相対的に高い場合と比べ、重み付け係数kがより小さくなるように設定されている。特に、この第1の信号処理手法では、残留電荷信号D12の信号強度が所定の強度閾値Sthよりも大きい場合には、重み付け係数kが固定値(ここでは、最大値である1.0)に設定されていると共に、この信号強度が強度閾値Sth以下の場合には、その信号強度が低くなるのに応じて、重み付け係数kが徐々に小さくなるように設定されている。 Here, the weighting coefficient k is not a constant value (fixed value), for example, as shown in the lower diagram of FIG. 18A, but is 0 to 1.0 depending on the signal strength of the residual charge signal D12. Set to change between. Specifically, here, the weighting coefficient k is set to be smaller when the signal strength of the residual charge signal D12 is relatively low than when the signal strength is relatively high. In particular, in the first signal processing method, when the signal intensity of the residual charge signal D12 is larger than a predetermined intensity threshold Sth, the weighting coefficient k is set to a fixed value (here, the maximum value is 1.0). When the signal strength is equal to or less than the strength threshold value Sth, the weighting coefficient k is set to be gradually reduced as the signal strength decreases.
これは、残留電荷信号D12の信号強度が相対的に小さい領域(電荷量が少ない領域)は、読み出し動作時の雑音(ノイズ)が支配的な領域(雑音支配領域)となっていることに起因している。つまり、そのような雑音支配領域において、重み付け係数をそのまま(大きい値のまま)用いて重み付け処理を行ってしまうと、その後の加算処理においてS/N比が低下してしまうからである。このことから、ここでは、そのような雑音支配領域における残留電荷信号D12の重み付けを相対的に小さく設定することによって、ノイズ成分を減衰あるいは遮断し、S/N比を向上させる(雑音レベルを上げずに信号レベルを上げる)ことを可能としている。 This is because the region where the signal intensity of the residual charge signal D12 is relatively small (the region where the amount of charge is small) is a region where the noise during the read operation (noise) is dominant (noise dominant region). doing. That is, if weighting processing is performed using the weighting coefficient as it is (with a large value) in such a noise dominant region, the S / N ratio is lowered in the subsequent addition processing. Therefore, here, by setting the weight of the residual charge signal D12 in such a noise dominant region to be relatively small, the noise component is attenuated or blocked, and the S / N ratio is improved (the noise level is increased). Without increasing the signal level).
次いで、図18(A)における上図に示したように、加算処理部192が、フレームメモリ182から供給される撮像信号D11と、重み付け処理部191から供給される重み付け信号(k×D12)とに対して、加算処理を行う。これにより、加算処理後の信号である合成信号D2(=D11+k×D12)が生成される。
Next, as shown in the upper diagram of FIG. 18A, the
続いて、例えば図18(B)に示したように、線形化処理部193が、加算処理部192から供給される合成信号D2に対して線形化処理を行うことにより、出力データDoutを生成する。この線形化処理とは、図18(B)に示したように、撮像の際の露光強度と出力データDoutの信号強度との対応関係を線形化するための処理である。具体的には、撮像信号D11の信号強度に対する残留電荷信号D12の信号強度の比率(=残留電荷信号D12の信号強度/撮像信号D11の信号強度)をdとすると、線形化処理部193は以下の(1)式を用いて線形化処理を行い、出力データDoutを生成する。このようにして、第1の信号処理手法を用いた信号処理により、出力データDoutが生成される。
Dout={1/(1+d×k)}×D2 ……(1)
Subsequently, for example, as illustrated in FIG. 18B, the
Dout = {1 / (1 + d × k)} × D2 (1)
ここで、このような線形化処理を行うのが望ましいのは、以下の理由による。すなわち、合成信号D2は、撮像信号D11に対して重み付け処理後の残留電荷信号(k×D12)が加算された信号であることから、例えば図18(A)における上図に示したように、その信号強度が露光強度に対して非線形になっている(比例しなくなっている)。このような非線形性を示す信号のままでは、例えばその後の信号処理の際に扱いにくくなってしまうため、上記のような線形処理を行うのが望ましいのである。 Here, it is desirable to perform such a linearization process for the following reason. That is, since the combined signal D2 is a signal obtained by adding the weighted residual charge signal (k × D12) to the imaging signal D11, for example, as shown in the upper diagram in FIG. The signal intensity is non-linear with respect to the exposure intensity (no longer proportional). If such a signal showing non-linearity remains, it becomes difficult to handle, for example, at the time of subsequent signal processing. Therefore, it is desirable to perform the linear processing as described above.
(第2の信号処理手法)
一方、第2の信号処理手法では、例えば図19(A)に示したようにして、重み付け処理および加算処理が行われる。すなわち、まず第1の信号処理手法と同様に、重み付け処理部191が、残留電荷信号D12に対して所定の重み付け係数kを乗算することによって重み付け処理を行い、重み付け信号(k×D12)を生成する。
(Second signal processing technique)
On the other hand, in the second signal processing method, for example, as shown in FIG. 19A, weighting processing and addition processing are performed. That is, first, as in the first signal processing method, the
この第2の信号処理手法においても第1の信号処理手法と同様に、重み付け係数kは、例えば図19(A)における下図に示したように、一定の値(固定値)ではなく、残留電荷信号D12の信号強度に応じて、0〜1.0の間で変化するように設定されている。また、ここでは、残留電荷信号D12の信号強度が相対的に低い場合には、その信号強度が相対的に高い場合と比べ、重み付け係数kがより小さくなるように設定されている。ただし、この第2の信号処理手法では、残留電荷信号D12の信号強度が所定の強度閾値Sthよりも大きい場合には、重み付け係数kが固定値(ここでは、最大値である1.0)に設定されている一方、この信号強度が強度閾値Sth以下の場合には、重み付け係数が0(ゼロ)となるように設定されている。すなわち、残留電荷信号D12の信号強度が強度閾値Sth以下の場合には、撮像信号D11に対して実質的な重み付け処理がなされないようになっている。 Also in this second signal processing method, as in the first signal processing method, the weighting coefficient k is not a constant value (fixed value) but a residual charge as shown in the lower diagram of FIG. It is set to change between 0 and 1.0 according to the signal strength of the signal D12. Here, when the signal strength of the residual charge signal D12 is relatively low, the weighting coefficient k is set to be smaller than when the signal strength is relatively high. However, in the second signal processing method, when the signal intensity of the residual charge signal D12 is larger than a predetermined intensity threshold Sth, the weighting coefficient k is set to a fixed value (here, the maximum value is 1.0). On the other hand, when the signal intensity is equal to or less than the intensity threshold Sth, the weighting coefficient is set to 0 (zero). That is, when the signal intensity of the residual charge signal D12 is equal to or less than the intensity threshold value Sth, no substantial weighting process is performed on the imaging signal D11.
次いで、図19(A)における上図に示したように、加算処理部192が第1の信号処理手法と同様にして、撮像信号D11と重み付け信号(k×D12)とに対して加算処理を行う。これにより、合成信号D2(=D11+k×D12)が生成される。
Next, as shown in the upper diagram of FIG. 19A, the
続いて、例えば図19(B)に示したように、線形化処理部193が第1の信号処理手法と同様に、上記(1)式を用いて合成信号D2に対して線形化処理を行うことにより、出力データDoutを生成する。このようにして、第2の信号処理手法を用いた信号処理により、出力データDoutが生成される。
Subsequently, for example, as shown in FIG. 19B, the
このようにして本実施の形態では、1フレーム期間内における1回目の読み出し動作により得られた撮像信号D11と、1回目のリセット動作が行われた後の2回目以降の読み出し動作により得られた残留電荷信号D12とに基づいて、少なくとも加算処理を含む所定の信号処理が行われ、出力データDoutが生成される。すなわち、信号電荷に対応する撮像信号D11と、残留電荷に対応する残留電荷信号D12との加算処理に基づいて、出力信号Doutが生成される。これにより、出力データDoutにおけるコントラストが向上する。 As described above, in the present embodiment, the imaging signal D11 obtained by the first readout operation within one frame period and the second and subsequent readout operations after the first reset operation are performed. Based on the residual charge signal D12, predetermined signal processing including at least addition processing is performed, and output data Dout is generated. That is, the output signal Dout is generated based on the addition process of the imaging signal D11 corresponding to the signal charge and the residual charge signal D12 corresponding to the residual charge. Thereby, the contrast in the output data Dout is improved.
以上のように本実施の形態では、読み出し動作とリセット動作とがそれぞれ所定の単位期間(1フレーム期間)内で間欠的に複数回行われるように各画素20を駆動すると共に、この単位期間内における1回目の読み出し動作により得られた撮像信号D11と、1回目のリセット動作が行われた後の2回目以降の読み出し動作により得られた残留電荷信号D12とに基づいて少なくとも加算処理を行うことによって出力データDoutを生成する。これにより、リセット動作後における画素内の残留電荷を低減することができると共に、出力データDoutにおけるコントラストを向上させることができる。よって、そのような残留電荷に起因した残像を抑えつつ高コントラスト化を図ることができ、撮像画像の高画質化を実現することが可能となる。
As described above, in the present embodiment, each
また、特に画素20内で容量が飽和した場合は残像電荷量が大きくなるため、加算処理による高コントラスト化の効果が大きくなる。更に、例えば、図17に示した特性とはことなり、残留電荷信号D12の信号強度が露光強度に対して非線形である特性を示す場合には、そのような残留電荷信号D12の加算処理を行うことによって、より正確な撮像画像を得ることが可能となる。
In particular, when the capacitance is saturated in the
<変形例>
続いて、上記実施の形態の変形例(変形例1〜8)について説明する。なお、実施の形態における構成要素と同一のものには同一の符号を付し、適宜説明を省略する。
<Modification>
Subsequently, modified examples (modified examples 1 to 8) of the above-described embodiment will be described. In addition, the same code | symbol is attached | subjected to the same thing as the component in embodiment, and description is abbreviate | omitted suitably.
[変形例1]
図20(A)は、変形例1に係るフレームメモリ18および信号処理部(信号処理部19A)のブロック構成を表したものである。本変形例の信号処理部19Aは、上記実施の形態の信号処理部19において、重み付け処理部191および線形化処理部193を設けないようにした(省いた)構成となっており、ここでは加算化処理部192のみを有している。
[Modification 1]
FIG. 20A illustrates a block configuration of the
つまり、本変形例の加算化処理部192では、撮像データD11と残留電荷信号D12との加算処理のみによって、出力データDout(=D11+D12)が生成されるようになっている。
That is, in the
このように、場合によっては、信号処理部内に、重み付け処理部191および線形化処理部193を設けないようにしてもよい。このような構成の本変形例においても、上記実施の形態と同様の効果を得ることが可能である。すなわち、残留電荷に起因した残像を抑えつつ高コントラスト化を図ることができ、撮像画像の高画質化を実現することが可能となる。
As described above, in some cases, the
[変形例2]
図20(B)は、変形例2に係るフレームメモリ18および信号処理部(信号処理部19B)のブロック構成を表したものである。本変形例のフレームメモリ18は、上記実施の形態とは異なり、3つのフレームメモリ181,182,183を有している。フレームメモリ181は、撮像信号D11を一時的に保持するためのフレームメモリであり、フレームメモリ182は、2回目の読み出し動作により得られる残留電荷信号D12を一時的に保持するためのフレームメモリである。一方、フレームメモリ183は、3回目の読み出し動作により得られる残留電荷信号D13を一時的に保持するためのフレームメモリである。
[Modification 2]
FIG. 20B illustrates a block configuration of the
また、本変形例の信号処理部19Bは、これらの撮像信号D11および残留電荷信号D12,D13に基づいて所定の信号処理を行うことにより、出力データDoutを生成する。具体的には、重み付け処理部191は、残留電荷信号D12に対して重み付け係数k1を乗算することによって重み付け処理を行い、重み付け信号(k1×D12)を生成する。また、それとともに、残留電荷信号D13に対して重み付け係数k2を乗算することによって重み付け処理を行い、重み付け信号(k2×D13)を生成する。加算化処理部192は、撮像信号D11と、重み付け信号(k1×D12),(k2×D13)とに対して加算処理を行う。これにより、合成信号D3(=D11+k1×D12+k2×D13)が生成される。そして、線形化処理部193は、前述した(1)式と同様にして合成信号D3に対して線形化処理を行うことにより、出力データDoutを生成する。
Further, the signal processing unit 19B according to the present modification generates output data Dout by performing predetermined signal processing based on the imaging signal D11 and the residual charge signals D12 and D13. Specifically, the
このように、所定の単位期間(1フレーム期間)内で読み出し動作が間欠的に3回以上行われるようにし、残留電荷信号が複数回得られるようにすると共に、これら複数回の残留電荷信号をそれぞれ用いて加算処理を含む信号処理を行うようにしてもよい。なお、ここでは、複数回の残留電荷信号(2つの残留電荷信号D12,D13)のうちの全てを用いて信号処理を行う例について説明したが、例えば、複数回の残留電荷信号のうちの一部(例えば、特に信号強度が大きい残留電荷信号)を選択的に用いるようにしてもよい。 As described above, the reading operation is intermittently performed three or more times within a predetermined unit period (one frame period) so that the residual charge signal is obtained a plurality of times, and the residual charge signal of the plurality of times is obtained. Each may be used to perform signal processing including addition processing. Here, an example in which signal processing is performed using all of a plurality of residual charge signals (two residual charge signals D12 and D13) has been described. (For example, a residual charge signal having a particularly high signal intensity) may be selectively used.
[変形例3]
図21は、変形例3に係る画素(画素20A)の回路構成を、上記実施の形態で説明した列選択部17の回路構成例とともに表したものである。本変形例の画素20Aは、実施の形態の画素20と同様にいわゆるパッシブ型の回路構成となっており、1つの光電変換素子21と1つのトランジスタ22とを有している。また、この画素20Aには画素20と同様に、H方向に沿って延在する読み出し制御線Lreadと、V方向に沿って延在する信号線Lsigとが接続されている。
[Modification 3]
FIG. 21 illustrates a circuit configuration of a pixel (pixel 20A) according to
ただし、画素20Aでは、光電変換素子21の配置方向(向き)が、画素20とは逆になっている。すなわち、この画素20Aでは、光電変換素子21のアノードが蓄積ノードNに接続され、カソードがグランド(接地)に接続されている。
However, in the
このような構成の画素20Aを有する撮像装置においても、上記実施の形態の撮像装置1と同様の作用により同様の効果を得ることが可能である。
Even in the imaging apparatus having the pixel 20A having such a configuration, the same effect can be obtained by the same operation as that of the
[変形例4,5]
(回路構成)
図22は、変形例4に係る画素(画素20B)の回路構成を、以下説明する列選択部17Bの回路構成例とともに表したものである。また、図23は、変形例5に係る画素(画素20C)の回路構成を、列選択部17Bの回路構成例とともに表したものである。これらの変形例4,5に係る画素20B,20Cはそれぞれ、これまで説明した画素20,20Aとは異なり、いわゆるアクティブ型の回路構成となっている。
[Modifications 4 and 5]
(Circuit configuration)
FIG. 22 illustrates a circuit configuration of a pixel (pixel 20B) according to Modification 4 together with a circuit configuration example of a
具体的には、このアクティブ型の画素20B,20Cには、1つの光電変換素子21と、3つのトランジスタ22,23,24とが設けられている。これらの画素20B,20Cにはまた、H方向に沿って延在する読み出し制御線Lreadおよびリセット制御線Lrstと、V方向に沿って延在する信号線Lsigとが接続されている。
Specifically, the active pixels 20B and 20C are provided with one
画素20B,20Cではそれぞれ、トランジスタ22のゲートが読み出し制御線Lreadに接続され、ソースが信号線Lsigに接続され、ドレインが、ソースフォロワ回路を構成するトランジスタ23のドレインに接続されている。トランジスタ23のソースは電源VDDに接続され、ゲートは、光電変換素子21のカソード(図22に示した画素20B)またはアノード(図23に示した画素20C)(蓄積ノードN)と、リセット用トランジスタとして機能するトランジスタ24のドレインとに接続されている。このトランジスタ24のゲートはリセット制御線Lrstに接続され、ソースにはリセット電圧Vrstが印加されるようになっている。光電変換素子21のアノード(画素20B)またはカソード(画素20C)は、グランド(接地)に接続されている。
In each of the pixels 20B and 20C, the gate of the
また、図22および図23に示した変形例4,5に係る列選択部17Bは、前述した列選択部17において、チャージアンプ172、容量素子C1およびスイッチSW1の代わりに、定電流源171およびアンプ176を設けたものとなっている。アンプ176では、正側の入力端子には信号線Lsigが接続されると共に、負側の入力端子と出力端子とが互いに接続され、ボルテージフォロワ回路が形成されている。なお、信号線Lsigの一端側には定電流源171の一方の端子が接続され、この定電流源171の他方の端子には電源VSSが接続されている。
In addition, the
(作用・効果)
このようなアクティブ型の回路構成からなる画素20B,20Cを有する変形例4,5の撮像装置では、以下のようにして撮像動作(線順次撮像駆動)がなされる。
(Action / Effect)
In the imaging devices of Modifications 4 and 5 having the pixels 20B and 20C having such an active circuit configuration, an imaging operation (line-sequential imaging driving) is performed as follows.
すなわち、まず、これまで説明したパッシブ型の回路構成からなる画素20,20Aを有する撮像装置では、例えば図24(A)に示したようにして線順次撮像駆動が行われる。具体的には、線順次読み出し駆動と線順次リセット駆動とが、単一の線順次駆動(第1読み出し/リセット期間Tr1の線順次動作を行うための駆動)によって、実質的に同時に行われる。
That is, first, in the imaging apparatus having the
これに対して、変形例4,5のように、アクティブ型の回路構成からなる画素20B,20Cを有する撮像装置では、例えば図24(B)に示したようにして線順次撮像駆動が行われる。具体的には、線順次読み出し駆動と各回(ここでは1回目および2回目)の線順次リセット駆動とが、互いに独立して個別に行われる。すなわち、第1読み出し期間Tr1aの線順次動作を行うための線順次読み出し駆動と、1回目のリセット期間(第1リセット期間Tr1b)の線順次動作を行うための1回目の線順次リセット駆動と、2回目のリセット期間(第2読み出し/リセット期間Tr2)の線順次動作を行うための2回目の線順次リセット駆動とが、互いに独立して個別に行われる。なお、このアクティブ型の回路構成の場合、各回の線順次リセット駆動の際のリセット動作は、リセット用トランジスタとして機能するトランジスタ24がオン状態となることによって行われるようになっている。
On the other hand, in the imaging apparatus having the pixels 20B and 20C having the active circuit configuration as in the modification examples 4 and 5, line sequential imaging driving is performed as shown in FIG. 24B, for example. . Specifically, line-sequential readout driving and line-sequential reset driving each time (here, the first and second times) are performed independently of each other. That is, a line sequential read drive for performing a line sequential operation in the first read period Tr1a, a first line sequential reset drive for performing a line sequential operation in a first reset period (first reset period Tr1b), The second line sequential reset drive for performing the line sequential operation in the second reset period (second readout / reset period Tr2) is performed independently of each other. In the case of this active circuit configuration, the reset operation in each line-sequential reset drive is performed when the
このように、アクティブ型の回路構成からなる画素20B,20Cを有する撮像装置においても、これまで説明したパッシブ型の回路構成の場合と同様のことが言える。すなわち、単位期間(1フレーム期間)内における1回目の読み出し動作により得られた撮像信号D11と、1回目のリセット動作が行われた後の2回目以降の読み出し動作により得られた残留電荷信号D12とに基づいて少なくとも加算処理を行うことによって出力データDoutを生成する。これにより、リセット動作後における画素内の残留電荷を低減することができると共に、出力データDoutにおけるコントラストを向上させることができる。よって、そのような残留電荷に起因した残像を抑えつつ高コントラスト化を図ることができ、撮像画像の高画質化を実現することが可能となる。 Thus, the same can be said for the imaging device having the pixels 20B and 20C having the active circuit configuration as in the passive circuit configuration described so far. That is, the imaging signal D11 obtained by the first readout operation within the unit period (one frame period) and the residual charge signal D12 obtained by the second and subsequent readout operations after the first reset operation is performed. Based on the above, output data Dout is generated by performing at least an addition process. Thereby, the residual charge in the pixel after the reset operation can be reduced, and the contrast in the output data Dout can be improved. Therefore, it is possible to achieve high contrast while suppressing afterimages due to such residual charges, and it is possible to achieve high image quality of the captured image.
[変形例6]
図25は、変形例6に係る線順次撮像駆動および信号処理の一例を、タイミング波形図を用いて模式的に表したものである。
[Modification 6]
FIG. 25 schematically illustrates an example of line-sequential imaging driving and signal processing according to Modification 6 using a timing waveform diagram.
本変形例では、上記実施の形態とは異なり、1フレーム期間(1垂直期間)ΔTv内では、読み出し動作およびリセット動作がそれぞれ1回ずつのみ行われる。つまり、この1フレーム期間ΔTv内には、第1読み出し/リセット期間Tr1が設けられているものの、第2読み出し/リセット期間Tr2は設けられていない。また、露光期間Texは、フレーム期間ΔTvごとには設けられておらず、複数のフレーム期間(ここでは、3つのフレーム期間(3×ΔTv))ごとに1回の露光期間Texが設けられている。 In the present modification, unlike the above embodiment, the read operation and the reset operation are performed only once each within one frame period (one vertical period) ΔTv. That is, the first read / reset period Tr1 is provided in the one frame period ΔTv, but the second read / reset period Tr2 is not provided. The exposure period Tex is not provided for each frame period ΔTv, and one exposure period Tex is provided for each of a plurality of frame periods (here, three frame periods (3 × ΔTv)). .
すなわち、本変形例では、図25中に示したように、所定の単位期間である複数のフレーム期間(ここでは(3×ΔTv))内での複数回(ここでは3回)の読み出し動作によって、撮像信号D11および残留電荷信号(ここでは2つの残留電荷信号D12,D13)が得られる。そして、信これらの撮像信号D11および残留電荷信号に基づいて上記実施の形態と同様の信号処理が行われることにより、出力データDoutが生成される。なお、このような動作は、露光動作および動画のフレームレートに対し、読み出し動作およびリセット動作のフレームレートを高く設定(ここでは、3倍にフレームレートに設定)することに相当する。 That is, in the present modification, as shown in FIG. 25, the read operation is performed a plurality of times (here, three times) within a plurality of frame periods (here, (3 × ΔTv)) which are predetermined unit periods. Then, an imaging signal D11 and a residual charge signal (here, two residual charge signals D12 and D13) are obtained. Then, output data Dout is generated by performing signal processing similar to that of the above-described embodiment based on the imaging signal D11 and the residual charge signal. Note that such an operation corresponds to setting the frame rate of the read operation and the reset operation higher than the frame rate of the exposure operation and the moving image (here, the frame rate is set to three times).
このように、所定の単位期間として1フレーム期間ではなく複数のフレーム期間を設定したうえで、上記実施の形態と同様の信号処理を行うようにした場合でも、同様の効果を得ることが可能である。すなわち、残留電荷に起因した残像を抑えつつ高コントラスト化を図ることができ、撮像画像の高画質化を実現することが可能となる。 As described above, even when a plurality of frame periods are set as a predetermined unit period instead of a single frame period and the same signal processing as that in the above embodiment is performed, the same effect can be obtained. is there. That is, it is possible to achieve high contrast while suppressing afterimages due to residual charges, and it is possible to achieve high image quality of captured images.
[変形例7,8]
図26(A),(B)はそれぞれ、変形例7,8に係る撮像部(撮像部11A,11B)の概略構成を模式的に表したものである。
[
FIGS. 26A and 26B schematically show the schematic configuration of the imaging units (
まず、図26(A)に示した変形例7に係る撮像部11Aは、上記実施の形態で説明した光電変換層111に加え、波長変換層112を更に有している。具体的には、光電変換層111上(撮像部11Aの受光面(撮像面)側)に、波長変換層112が設けられている。
First, the
波長変換層112は、放射線Rrad(α線,β線,γ線,X線等)を、光電変換層111の感度域に波長変換するものであり、これにより光電変換層111では、この放射線Rradに基づく情報を読み取ることが可能となっている。この波長変換層112は、例えばX線などの放射線を可視光に変換する蛍光体(例えば、シンチレータ)からなる。このような波長変換層112は、例えば光電変換層111の上部に、有機平坦化膜、スピンオングラス材料等からなる平坦化膜を形成し、その上部に蛍光体膜を、CsI:Tl、Gd2O2S、CsI、NaI、CaF2等によって形成することにより得られる。
The
一方、図26(B)に示した変形例8に係る撮像部11Bは、上記実施の形態で説明した光電変換層111の代わりに、光電変換層111Bを有している。この光電変換層111Bは、入射した放射線Rradに応じて電気信号を直接発生させるものである。つまり、図26(A)に示した変形例7の撮像部11Aは、いわゆる間接型の放射線撮像装置に適用されるものであるのに対し、変形例8の撮像部11Bは、いわゆる直接型の放射線撮像装置に適用されるものとなっている。なお、このような直接型に適用される光電変換層111Bは、例えば、アモルファスセレン(a−Se)半導体や、カドミニウムテルル(CdTe)半導体などにより構成されている。
On the other hand, an
このような構成の撮像部11A,11Bを有する変形例7,8に係る撮像装置では、撮像部11A,11Bが、入射した放射線Rradに応じて電気信号を発生するものとなっており、放射線撮像装置として構成されている。このような放射線撮像装置は、例えば医療機器(Digital Radiography等のX線撮像装置)や、空港等で用いられる携帯物検査用X線撮影装置、工業用X線撮像装置(例えば、コンテナ内の危険物等の検査や、鞄等の中身の検査を行う装置)などに適用することが可能である。
In the imaging devices according to the modified examples 7 and 8 having the
<適用例>
続いて、上記実施の形態および各変形例(変形例1〜8)に係る撮像装置の撮像表示システムへの適用例について説明する。
<Application example>
Next, application examples of the imaging apparatus according to the above-described embodiment and each modification (
図27は、適用例に係る撮像表示システム(撮像表示システム5)の概略構成例を模式的に表したものである。この撮像表示システム5は、上記実施の形態等に係る撮像部11(11A,11B)等を有する撮像装置1と、画像処理部52と、表示装置4とを備えており、この例では放射線を用いた撮像表示システム(放射線撮像表示システム)として構成されている。
FIG. 27 schematically illustrates a schematic configuration example of an imaging display system (imaging display system 5) according to an application example. The imaging display system 5 includes the
画像処理部52は、撮像装置1から出力される出力データDout(撮像信号)に対して所定の画像処理を施すことにより、画像データD4を生成するものである。表示装置4は、画像処理部52において生成された画像データD4に基づく画像表示を、所定のモニタ画面40上で行うものである。
The
このような構成からなる撮像表示システム5では、撮像装置1(ここでは放射線撮像装置)が、光源(ここではX線源等の放射線源)51から被写体50に向けて照射された照射光(ここでは放射線)に基づき、被写体50の画像データDoutを取得し、画像処理部52へ出力する。画像処理部52は、入力された画像データDoutに対して上記した所定の画像処理を施し、その画像処理後の画像データ(表示データ)D4を表示装置4へ出力する。表示装置4は、入力された画像データD4に基づいて、モニタ画面40上に画像情報(撮像画像)を表示する。
In the imaging display system 5 having such a configuration, the imaging device 1 (here, the radiation imaging device) emits irradiated light (here, a radiation source such as an X-ray source) 51 toward the subject 50 (here. In this case, the image data Dout of the subject 50 is acquired based on the radiation and is output to the
このように、本適用例の撮像表示システム5では、撮像装置1において被写体50の画像を電気信号として取得可能であるため、取得した電気信号を表示装置4へ伝送することによって画像表示を行うことができる。すなわち、従来のような放射線写真フィルムを用いることなく、被写体50の画像を観察することが可能となり、また、動画撮影および動画表示にも対応することが可能となる。
As described above, in the imaging display system 5 of this application example, the image of the subject 50 can be acquired as an electrical signal in the
なお、本適用例では、撮像装置1が放射線撮像装置として構成されており、放射線を用いた撮像表示システムとなっている場合を例に挙げて説明したが、本開示の撮像表示システムは、他の方式の撮像装置を用いたものにも適用することが可能である。
In this application example, the case where the
<その他の変形例>
以上、実施の形態、変形例および適用例を挙げて本開示の技術を説明したが、本技術はこれらの実施の形態等に限定されず、種々の変形が可能である。
<Other variations>
As described above, the technology of the present disclosure has been described with the embodiment, the modification, and the application example. However, the present technology is not limited to the embodiment and the like, and various modifications can be made.
例えば、撮像部における画素の回路構成は、上記実施の形態等で説明したもの(画素20,20A〜20Cの回路構成)には限られず、他の回路構成であってもよい。同様に、列選択部等の回路構成や、フレームメモリおよび信号処理部のブロック構成等についても、上記実施の形態等で説明したものには限られず、他の回路構成であってもよい。
For example, the circuit configuration of the pixel in the imaging unit is not limited to the one described in the above embodiment and the like (the circuit configuration of the
また、上記実施の形態等では、所定の単位期間(1フレーム期間または複数のフレーム期間)内において、2回または3回の読出し動作およびリセット動作を行う場合を例に挙げて説明したが、これには限られない。すなわち、例えば、所定の単位期間(1フレーム期間または複数のフレーム期間)内で、4回以上の読出し動作およびリセット動作を行うようにしてもよい。 In the above-described embodiment and the like, the case where the read operation and the reset operation are performed twice or three times within a predetermined unit period (one frame period or a plurality of frame periods) has been described as an example. It is not limited to. That is, for example, four or more read operations and reset operations may be performed within a predetermined unit period (one frame period or a plurality of frame periods).
更に、上記実施の形態等で説明した撮像部、行走査部、A/D変換部(列選択部)および列走査部等はそれぞれ、例えば同一基板上に形成されているようにしてもよい。具体的には、例えば低温多結晶シリコンなどの多結晶半導体を用いることにより、これらの回路部分におけるスイッチ等も同一基板上に形成することができるようになる。このため、例えば外部のシステム制御部からの制御信号に基づいて、同一基板上における駆動動作を行うことが可能となり、狭額縁化(3辺フリーの額縁構造)や配線接続の際の信頼性向上を実現することができる。 Furthermore, the imaging unit, row scanning unit, A / D conversion unit (column selection unit), column scanning unit, and the like described in the above embodiments may be formed on the same substrate, for example. Specifically, by using a polycrystalline semiconductor such as low-temperature polycrystalline silicon, switches and the like in these circuit portions can be formed on the same substrate. For this reason, for example, it becomes possible to perform a driving operation on the same substrate based on a control signal from an external system control unit, and to improve reliability when narrowing the frame (three-side free frame structure) or wiring connection. Can be realized.
なお、本技術は以下のような構成を取ることも可能である。
(1)
各々が光電変換素子を含む複数の画素を有する撮像部と、
前記光電変換素子により得られた電荷を前記画素から信号として読み出す読み出し動作と、前記画素内の電荷をリセットするためのリセット動作とがそれぞれ行われるように、各画素を駆動する駆動部と、
前記読み出し動作により得られた信号に基づいて所定の信号処理を行い、出力信号を生成する信号処理部と
を備え、
前記駆動部は、前記読み出し動作と前記リセット動作とがそれぞれ所定の単位期間内で間欠的に複数回行われるように各画素を駆動し、
前記信号処理部は、前記単位期間内における1回目の前記読み出し動作により得られた第1の信号と、1回目の前記リセット動作が行われた後の2回目以降の前記読み出し動作により得られた第2の信号とに基づいて、前記信号処理として少なくとも加算処理を行うことにより、前記出力信号を生成する
撮像装置。
(2)
前記信号処理部は、前記第1の信号と、前記第2の信号に対して所定の重み付け処理を行うことにより得られる重み付け信号と、に対して前記加算処理を行うことにより、前記出力信号を生成する
上記(1)に記載の撮像装置。
(3)
前記信号処理部は、所定の重み付け係数を用いて前記重み付け処理を行うと共に、
前記第2の信号の信号強度が相対的に低い場合には、その信号強度が相対的に高い場合と比べ、前記重み付け係数がより小さくなるように設定されている
上記(2)に記載の撮像装置。
(4)
前記第2の信号の信号強度が所定の閾値以下の場合、その信号強度が低くなるのに応じて、前記重み付け係数が徐々に小さくなるように設定されている
上記(3)に記載の撮像装置。
(5)
前記第2の信号の信号強度が前記閾値以下の場合、前記重み付け係数が0(ゼロ)となるように設定されている
上記(3)に記載の撮像装置。
(6)
前記信号処理部は、前記加算処理を行った後に、
撮像の際の露光強度と前記出力信号の信号強度との対応関係を線形化するための線形化処理を行うことにより、前記出力信号を生成する
上記(2)ないし(5)のいずれかに記載の撮像装置。
(7)
前記駆動部は、前記単位期間内で前記読み出し動作が間欠的に3回以上行われるように各画素を駆動し、
前記信号処理部は、前記2回目以降の複数回の読み出し動作により得られた前記第2の信号うち、全ての回の第2の信号、または、選択した一部の回の第2の信号を用いて、前記信号処理を行う
上記(1)ないし(6)のいずれかに記載の撮像装置。
(8)
前記単位期間が、1フレーム期間または複数のフレーム期間である
上記(1)ないし(7)のいずれかに記載の撮像装置。
(9)
前記読み出し動作と前記リセット動作とが、単一の駆動によって同時に行われる
上記(1)ないし(8)のいずれかに記載の撮像装置。
(10)
前記駆動部は、前記読み出し動作を行う際に用いられる信号線が一方の入力端子に接続されると共に所定のリセット電圧が他方の入力端子に入力されるチャージアンプを有し、
前記チャージアンプにおける仮想短絡現象を利用して、前記読み出し動作とともに前記リセット動作が行われる
上記(9)に記載の撮像装置。
(11)
前記読み出し動作と前記リセット動作とが、互いに独立した駆動によって個別に行われる
上記(1)ないし(8)のいずれかに記載の撮像装置。
(12)
各画素はリセット用トランジスタを有し、
前記リセット用トランジスタがオン状態となることによって、前記リセット動作が行われる
上記(11)に記載の撮像装置。
(13)
前記リセット動作が、1水平期間を超える期間に亘って間欠的に複数回行われる
上記(1)ないし(12)のいずれかに記載の撮像装置。
(14)
前記光電変換素子が、PIN型またはMIS型のフォトダイオードからなる
上記(1)ないし(13)のいずれかに記載の撮像装置。
(15)
前記撮像部が、入射した放射線に応じて電気信号を発生させるものであり、放射線撮像装置として構成されている
上記(1)ないし(14)のいずれかに記載の撮像装置。
(16)
前記撮像部は、
前記光電変換素子を構成する光電変換層と、
前記放射線を前記光電変換層の感度域に波長変換する波長変換層と
を有する上記(15)に記載の撮像装置。
(17)
前記撮像部は、前記光電変換素子を構成すると共に前記放射線に応じて前記電気信号を直接発生させる光電変換層を有する
上記(15)に記載の撮像装置。
(18)
前記放射線がX線である
上記(15)ないし(17)のいずれかに記載の撮像装置。
(19)
撮像装置と、この撮像装置により得られた撮像信号に基づく画像表示を行う表示装置とを備え、
前記撮像装置は、
各々が光電変換素子を含む複数の画素を有する撮像部と、
前記光電変換素子により得られた電荷を前記画素から信号として読み出す読み出し動作と、前記画素内の電荷をリセットするためのリセット動作とがそれぞれ行われるように、各画素を駆動する駆動部と、
前記読み出し動作により得られた信号に基づいて所定の信号処理を行い、出力信号を生成する信号処理部と
を備え、
前記駆動部は、前記読み出し動作と前記リセット動作とがそれぞれ所定の単位期間内で間欠的に複数回行われるように各画素を駆動し、
前記信号処理部は、前記単位期間内における1回目の前記読み出し動作により得られた第1の信号と、1回目の前記リセット動作が行われた後の2回目以降の前記読み出し動作により得られた第2の信号とに基づいて、前記信号処理として少なくとも加算処理を行うことにより、前記出力信号を生成する
撮像表示システム。
In addition, this technique can also take the following structures.
(1)
An imaging unit having a plurality of pixels each including a photoelectric conversion element;
A drive unit that drives each pixel such that a read operation for reading out the charge obtained by the photoelectric conversion element as a signal from the pixel and a reset operation for resetting the charge in the pixel are respectively performed;
A signal processing unit that performs predetermined signal processing based on a signal obtained by the read operation and generates an output signal;
The drive unit drives each pixel such that the readout operation and the reset operation are intermittently performed a plurality of times within a predetermined unit period,
The signal processing unit is obtained by the first signal obtained by the first read operation in the unit period and the second and subsequent read operations after the first reset operation is performed. An imaging device that generates the output signal by performing at least addition processing as the signal processing based on the second signal.
(2)
The signal processing unit performs the addition process on the first signal and a weighted signal obtained by performing a predetermined weighting process on the second signal, thereby obtaining the output signal. Generate the imaging device according to (1).
(3)
The signal processing unit performs the weighting process using a predetermined weighting coefficient,
The imaging according to (2), wherein the weighting coefficient is set to be smaller when the signal strength of the second signal is relatively low than when the signal strength is relatively high. apparatus.
(4)
The imaging device according to (3), wherein when the signal intensity of the second signal is equal to or less than a predetermined threshold, the weighting coefficient is gradually decreased as the signal intensity decreases. .
(5)
The imaging device according to (3), wherein the weighting coefficient is set to 0 (zero) when the signal intensity of the second signal is equal to or less than the threshold value.
(6)
The signal processing unit performs the addition process,
The output signal is generated by performing a linearization process for linearizing a correspondence relationship between an exposure intensity at the time of imaging and a signal intensity of the output signal. Imaging device.
(7)
The driving unit drives each pixel so that the reading operation is intermittently performed three times or more within the unit period,
The signal processing unit outputs the second signal of all times or the second signal of selected times among the second signals obtained by a plurality of read operations after the second time. The imaging apparatus according to any one of (1) to (6), wherein the signal processing is performed.
(8)
The imaging device according to any one of (1) to (7), wherein the unit period is one frame period or a plurality of frame periods.
(9)
The imaging apparatus according to any one of (1) to (8), wherein the readout operation and the reset operation are simultaneously performed by a single drive.
(10)
The drive unit includes a charge amplifier in which a signal line used when performing the read operation is connected to one input terminal and a predetermined reset voltage is input to the other input terminal;
The imaging apparatus according to (9), wherein the reset operation is performed together with the readout operation using a virtual short-circuit phenomenon in the charge amplifier.
(11)
The imaging device according to any one of (1) to (8), wherein the readout operation and the reset operation are individually performed by mutually independent driving.
(12)
Each pixel has a reset transistor,
The imaging device according to (11), wherein the reset operation is performed when the reset transistor is turned on.
(13)
The imaging device according to any one of (1) to (12), wherein the reset operation is intermittently performed a plurality of times over a period exceeding one horizontal period.
(14)
The imaging apparatus according to any one of (1) to (13), wherein the photoelectric conversion element includes a PIN-type or MIS-type photodiode.
(15)
The imaging device according to any one of (1) to (14), wherein the imaging unit generates an electrical signal according to incident radiation and is configured as a radiation imaging device.
(16)
The imaging unit
A photoelectric conversion layer constituting the photoelectric conversion element;
The imaging device according to (15), further comprising: a wavelength conversion layer that converts the wavelength of the radiation into a sensitivity range of the photoelectric conversion layer.
(17)
The imaging device according to (15), wherein the imaging unit includes a photoelectric conversion layer that constitutes the photoelectric conversion element and directly generates the electrical signal in accordance with the radiation.
(18)
The imaging device according to any one of (15) to (17), wherein the radiation is X-rays.
(19)
An imaging device, and a display device that displays an image based on an imaging signal obtained by the imaging device,
The imaging device
An imaging unit having a plurality of pixels each including a photoelectric conversion element;
A drive unit that drives each pixel such that a read operation for reading out the charge obtained by the photoelectric conversion element as a signal from the pixel and a reset operation for resetting the charge in the pixel are respectively performed;
A signal processing unit that performs predetermined signal processing based on a signal obtained by the read operation and generates an output signal;
The drive unit drives each pixel such that the readout operation and the reset operation are intermittently performed a plurality of times within a predetermined unit period,
The signal processing unit is obtained by the first signal obtained by the first read operation in the unit period and the second and subsequent read operations after the first reset operation is performed. An imaging display system that generates the output signal by performing at least addition processing as the signal processing based on a second signal.
1…撮像装置、11,11A,11B…撮像部、111,111B…光電変換層、112…波長変換層、13…行走査部、14…A/D変換部、15…列走査部、16…システム制御部、17,17B…列選択部、171…定電流源、172…チャージアンプ、173…S/H回路、174…マルチプレクサ回路、175…A/Dコンバータ、176…アンプ、18,181〜183…フレームメモリ、19,19A,19B…信号処理部、191…重み付け処理部、192…加算処理部、193…線形化処理部、20,20A〜20C…画素(撮像画素)、21…光電変換素子、21P…p型半導体層、21N…n型半導体層、21I…真性半導体層(i領域)、21G…ゲート電極、22,23,24…トランジスタ、4…表示装置、40…モニタ画面、5…撮像表示システム、50…被写体、51…光源(放射線源)、52…画像処理部、Lsig…信号線、Lread…読み出し制御線、Lrst…リセット制御線、Lcarst…アンプリセット制御線、D11…撮像信号、D12,D13…残留電荷信号、D2,D3…合成信号、D4…画像データ、Dout…出力データ、Vrst…リセット電圧、N…蓄積ノード、SW1,SW2…スイッチ、C1…容量素子、Cgp,Cdp…寄生容量、ΔTv…1垂直期間(1フレーム期間)、ΔTh…1水平期間、Tex…露光期間、Tr1…第1読み出し/リセット期間、Tr1a…第1読み出し期間、Tr1b…第1リセット期間、Tr2…第2読み出し/リセット期間、ΔTr1,ΔTr2…線順次駆動期間、k,k1,k2…重み付け係数、Sth…強度閾値、Lin…撮像光、Rrad…放射線。
DESCRIPTION OF
Claims (19)
前記光電変換素子により得られた電荷を前記画素から信号として読み出す読み出し動作と、前記画素内の電荷をリセットするためのリセット動作とがそれぞれ行われるように、各画素を駆動する駆動部と、
前記読み出し動作により得られた信号に基づいて所定の信号処理を行い、出力信号を生成する信号処理部と
を備え、
前記駆動部は、前記読み出し動作と前記リセット動作とがそれぞれ所定の単位期間内で間欠的に複数回行われるように各画素を駆動し、
前記信号処理部は、前記単位期間内における1回目の前記読み出し動作により得られた第1の信号と、1回目の前記リセット動作が行われた後の2回目以降の前記読み出し動作により得られた第2の信号とに基づいて、前記信号処理として少なくとも加算処理を行うことにより、前記出力信号を生成する
撮像装置。 An imaging unit having a plurality of pixels each including a photoelectric conversion element;
A drive unit that drives each pixel such that a read operation for reading out the charge obtained by the photoelectric conversion element as a signal from the pixel and a reset operation for resetting the charge in the pixel are respectively performed;
A signal processing unit that performs predetermined signal processing based on a signal obtained by the read operation and generates an output signal;
The drive unit drives each pixel such that the readout operation and the reset operation are intermittently performed a plurality of times within a predetermined unit period,
The signal processing unit is obtained by the first signal obtained by the first read operation in the unit period and the second and subsequent read operations after the first reset operation is performed. An imaging device that generates the output signal by performing at least addition processing as the signal processing based on the second signal.
請求項1に記載の撮像装置。 The signal processing unit performs the addition process on the first signal and a weighted signal obtained by performing a predetermined weighting process on the second signal, thereby obtaining the output signal. The imaging device according to claim 1 to generate.
前記第2の信号の信号強度が相対的に低い場合には、その信号強度が相対的に高い場合と比べ、前記重み付け係数がより小さくなるように設定されている
請求項2に記載の撮像装置。 The signal processing unit performs the weighting process using a predetermined weighting coefficient,
The imaging device according to claim 2, wherein the weighting coefficient is set to be smaller when the signal strength of the second signal is relatively low than when the signal strength is relatively high. .
請求項3に記載の撮像装置。 The imaging apparatus according to claim 3, wherein when the signal intensity of the second signal is equal to or less than a predetermined threshold, the weighting coefficient is set to gradually decrease as the signal intensity decreases.
請求項3に記載の撮像装置。 The imaging device according to claim 3, wherein the weighting coefficient is set to 0 (zero) when the signal intensity of the second signal is equal to or less than the threshold value.
撮像の際の露光強度と前記出力信号の信号強度との対応関係を線形化するための線形化処理を行うことにより、前記出力信号を生成する
請求項2に記載の撮像装置。 The signal processing unit performs the addition process,
The imaging apparatus according to claim 2, wherein the output signal is generated by performing a linearization process for linearizing a correspondence relationship between an exposure intensity at the time of imaging and a signal intensity of the output signal.
前記信号処理部は、前記2回目以降の複数回の読み出し動作により得られた前記第2の信号うち、全ての回の第2の信号、または、選択した一部の回の第2の信号を用いて、前記信号処理を行う
請求項1に記載の撮像装置。 The driving unit drives each pixel so that the reading operation is intermittently performed three times or more within the unit period,
The signal processing unit outputs the second signal of all times or the second signal of selected times among the second signals obtained by a plurality of read operations after the second time. The imaging apparatus according to claim 1, wherein the signal processing is performed.
請求項1に記載の撮像装置。 The imaging device according to claim 1, wherein the unit period is one frame period or a plurality of frame periods.
請求項1に記載の撮像装置。 The imaging apparatus according to claim 1, wherein the readout operation and the reset operation are simultaneously performed by a single drive.
前記チャージアンプにおける仮想短絡現象を利用して、前記読み出し動作とともに前記リセット動作が行われる
請求項9に記載の撮像装置。 The drive unit includes a charge amplifier in which a signal line used when performing the read operation is connected to one input terminal and a predetermined reset voltage is input to the other input terminal;
The imaging device according to claim 9, wherein the reset operation is performed together with the read operation using a virtual short-circuit phenomenon in the charge amplifier.
請求項1に記載の撮像装置。 The imaging apparatus according to claim 1, wherein the readout operation and the reset operation are individually performed by mutually independent driving.
前記リセット用トランジスタがオン状態となることによって、前記リセット動作が行われる
請求項11に記載の撮像装置。 Each pixel has a reset transistor,
The imaging device according to claim 11, wherein the reset operation is performed when the reset transistor is turned on.
請求項1に記載の撮像装置。 The imaging device according to claim 1, wherein the reset operation is intermittently performed a plurality of times over a period exceeding one horizontal period.
請求項1に記載の撮像装置。 The imaging device according to claim 1, wherein the photoelectric conversion element includes a PIN type or MIS type photodiode.
請求項1に記載の撮像装置。 The imaging device according to claim 1, wherein the imaging unit generates an electrical signal in accordance with incident radiation, and is configured as a radiation imaging device.
前記光電変換素子を構成する光電変換層と、
前記放射線を前記光電変換層の感度域に波長変換する波長変換層と
を有する請求項15に記載の撮像装置。 The imaging unit
A photoelectric conversion layer constituting the photoelectric conversion element;
The imaging device according to claim 15, further comprising: a wavelength conversion layer that converts the wavelength of the radiation into a sensitivity range of the photoelectric conversion layer.
請求項15に記載の撮像装置。 The imaging apparatus according to claim 15, wherein the imaging unit includes a photoelectric conversion layer that constitutes the photoelectric conversion element and directly generates the electrical signal according to the radiation.
請求項15に記載の撮像装置。 The imaging device according to claim 15, wherein the radiation is X-rays.
前記撮像装置は、
各々が光電変換素子を含む複数の画素を有する撮像部と、
前記光電変換素子により得られた電荷を前記画素から信号として読み出す読み出し動作と、前記画素内の電荷をリセットするためのリセット動作とがそれぞれ行われるように、各画素を駆動する駆動部と、
前記読み出し動作により得られた信号に基づいて所定の信号処理を行い、出力信号を生成する信号処理部と
を備え、
前記駆動部は、前記読み出し動作と前記リセット動作とがそれぞれ所定の単位期間内で間欠的に複数回行われるように各画素を駆動し、
前記信号処理部は、前記単位期間内における1回目の前記読み出し動作により得られた第1の信号と、1回目の前記リセット動作が行われた後の2回目以降の前記読み出し動作により得られた第2の信号とに基づいて、前記信号処理として少なくとも加算処理を行うことにより、前記出力信号を生成する
撮像表示システム。 An imaging device, and a display device that displays an image based on an imaging signal obtained by the imaging device,
The imaging device
An imaging unit having a plurality of pixels each including a photoelectric conversion element;
A drive unit that drives each pixel such that a read operation for reading out the charge obtained by the photoelectric conversion element as a signal from the pixel and a reset operation for resetting the charge in the pixel are respectively performed;
A signal processing unit that performs predetermined signal processing based on a signal obtained by the read operation and generates an output signal;
The drive unit drives each pixel such that the readout operation and the reset operation are intermittently performed a plurality of times within a predetermined unit period,
The signal processing unit is obtained by the first signal obtained by the first read operation in the unit period and the second and subsequent read operations after the first reset operation is performed. An imaging display system that generates the output signal by performing at least addition processing as the signal processing based on a second signal.
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