JP2017220877A - 撮像装置及び撮像システム - Google Patents
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Abstract
【解決手段】瞳分割された光が入射する第1及び第2光電変換部と、第1及び第2光電変換部から転送される電荷を保持する保持部とを含み、保持部の電荷に基づく信号を出力する画素を有し、画素は、第1露光時間の間に第1光電変換部で生じた電荷に基づく第1の信号と、第1露光時間の間に第1及び第2光電変換部で生じた電荷に基づく第2の信号と、第2露光時間の間に第1光電変換部で生じた電荷に基づく第3の信号と、第2露光時間の間に第1及び第2光電変換部で生じた電荷に基づく第4の信号とを出力するように構成されており、一のフレーム期間では第1及び第2の信号は第3及び前記第4の信号よりも前に出力され、他のフレーム期間では第1及び第2の信号は第3及び前記第4の信号よりも後に出力される。
【選択図】図5
Description
本発明の第1実施形態による撮像装置及びその駆動方法について、図1乃至図7を用いて説明する。
図5には、第nフレームから第n+5フレームまでの6フレーム分の動作状態を示している。ここでは、HDR合成は、連続する2つのフレームで取得した信号を用いて行うものとする。つまり図5には、HDR画像を取得するためのHDR用のフレームとしては、第Nフレーム(図中、「HDR第Nフレーム」)から第N+2フレーム(図中、「HDR第N+2フレーム」)までの3フレーム分の動作状態が示されていることになる。ここでは、第nフレーム及び第n+1フレームで取得した信号から、HDR第Nフレームの画像を合成するものとする。また、第n+2フレーム及び第n+3フレームで取得した信号から、HDR第N+1フレームの画像を合成するものとする。また、第n+4フレーム及び第n+5フレームで取得した信号から、HDR第N+2フレームの画像を合成するものとする。
第nフレームでは、2種類の露光時間のうち、例えば相対的に長い露光時間の間、電荷の蓄積を行う(以下、この露光期間を「長秒露光期間」と表記する)。第m行の画素12の光電変換部D1と光電変換部D2とにおいて所定の露光時間だけ電荷の蓄積を行ったのち、それぞれの画素12から光電変換部D1,D2に蓄積された電荷に基づく信号の読み出しを行う。第m+1行、第m+2行、…、においても、同様の露光時間での電荷蓄積及び信号の読み出しを行う。信号の読み出し動作は、各行において、例えば図7(a)又は図7(b)に示すタイミングチャートに従って実施することができる。
例えば、図5(b)及び図6(b)に示す駆動例のように、第n+2フレーム及び第n+4フレームの短秒露光期間を前倒しして実施することが可能である。こうすることで、短秒露光期間に基づく信号の取得から長秒露光期間に基づく信号の取得までの間隔を、1フレーム期間の半分の時間よりも長くすることができる。このような構成とすることにより、短秒露光期間の間に蓄積された電荷に基づく信号による視差画像をさらに早いタイミングで得ることができる。これにより、フォーカス調節を更に迅速に行うことができる。
本発明の第2実施形態による撮像装置及びその駆動方法について、図8乃至図12を用いて説明する。図1乃至図7に示す第1実施形態による撮像装置と同様の構成要素には同一の符号を付し、説明を省略し或いは簡潔にする。
転送トランジスタM12は、ソース領域としてのN型半導体領域210と、ドレイン領域としてのN型半導体領域224とを含む。N型半導体領域224は、保持部C3でもある。N型半導体領域210とN型半導体領域224との間の半導体基板200上には、ゲート絶縁膜を介して、転送トランジスタM12のゲート電極218が設けられている。転送トランジスタM22は、ソース領域としてのN型半導体領域224と、ドレイン領域としてのN型半導体領域216とを含む。N型半導体領域216は、保持部C1でもある。N型半導体領域224とN型半導体領域216との間の半導体基板200上には、ゲート絶縁膜を介して、転送トランジスタM22のゲート電極226が設けられている。光電変換部D1,D2、転送トランジスタM12,M22等が設けられた半導体基板200上には、保持部C2,C3上の全面を覆い、光電変換部D1,D2の少なくとも一部を露出する遮光膜228が設けられている。その他の構成は、図4に示す第1実施形態の場合と同様である。
図11は、時間の経過に伴う撮像装置の動作状態の遷移を示した模式図である。図11には、第nフレームから第n+5フレームまでの6フレーム分の動作状態を示している。図11中、「PD_A」は光電変換部D1の露光期間を示し、「PD_B」は光電変換部D2の露光期間を示している。「MEM_A」は光電変換部D1から転送された電荷の保持部C2における保持期間を示し、「MEM_B」は光電変換部D2から転送された電荷の保持部C3における保持期間を示している。「READ」は信号読み出し期間を示している。
本発明の第3実施形態による撮像装置及びその駆動方法について、図13乃至図16を用いて説明する。図1乃至図12に示す第1及び第2実施形態による撮像装置と同様の構成要素には同一の符号を付し、説明を省略し或いは簡潔にする。
本実施形態による撮像装置は、図13に示すように、画素12の回路構成が、第1及び第2実施形態による撮像装置とは異なっている。すなわち、本実施形態の画素12は、光電変換部D1,D2に対して、第2実施形態と同様の画素内読み出し回路をそれぞれ2系統有している。また、光電変換部D1,D2を初期化する電荷排出トランジスタを有している。
図15は、時間の経過に伴う撮像装置の動作状態の遷移を示した模式図である。図15には、第nフレームから第n+2フレームまでの3フレーム分の動作状態を示している。本実施形態の駆動方法では、これらフレーム期間は、HDRフレーム期間でもある。
本発明の第4実施形態による撮像装置の駆動方法について、図17乃至図19を用いて説明する。図1乃至図16に示す第1乃至第3実施形態による撮像装置と同様の構成要素には同一の符号を付し、説明を省略し或いは簡潔にする。
動画像の撮影を行っている際に、先の動画像のオートフォーカスの状況から、位相差オートフォーカスに用いる信号として、長秒露光期間の間に蓄積された電荷に基づく信号が好適であると判断されたものとする。そのような場合には、まず、長秒露光期間の間に蓄積された電荷に基づく信号について、光電変換部D1で生じた電荷に基づく信号と光電変換部D2で生じた電荷に基づく信号とを順次読み出し、位相差を含む視差画像を得る。次いで、短秒露光期間の間に蓄積された電荷に基づく信号については、光電変換部D1で生じた電荷に基づく信号と光電変換部D2で生じた電荷に基づく信号とを加算した信号のみを読み出す。こうすることで、1画素あたりの読み出し回数を減らすことができ、消費電力を小さく抑えながら、高速かつ高精度なオートフォーカスと広いダイナミックレンジ画像の取得とを同時に実現することができる。
本発明の第5実施形態による撮像装置及びその駆動方法について、図20乃至図22を用いて説明する。図1乃至図19に示す第1乃至第4実施形態による撮像装置と同様の構成要素には同一の符号を付し、説明を省略し或いは簡潔にする。
本発明の第6実施形態による撮像システムについて、図23を用いて説明する。図1乃至図22に示す第1乃至第5実施形態による撮像装置と同様の構成要素には同一の符号を付し、説明を省略し或いは簡潔にする。図23は、本実施形態による撮像システムの構成を示すブロック図である。
本発明は、上記実施形態に限らず種々の変形が可能である。
例えば、上記実施形態では、信号電荷として電子を生成する光電変換部D1,D2を用いた撮像装置を例にして説明したが、信号電荷として正孔を生成する光電変換部D1,D2を用いた撮像装置についても同様に適用可能である。この場合、画素12を構成するトランジスタの導電型は、逆導電型になる。なお、上記実施形態に記載したトランジスタのソースとドレインの呼称は、トランジスタの導電型や着目する機能等に応じて異なることもあり、上述のソース及びドレインの全部又は一部が逆の名称で呼ばれることもある。
C1,C11,C12,C2,C21,C22,C3,C31,C32…保持部
M11,M12,M13,M14,M21,M22,M23,M24…転送トランジスタ
M3,M31,M32…リセットトランジスタ
M4,M41,M42…増幅トランジスタ
M5,M51,M52…選択トランジスタ
M61,M62…電荷排出トランジスタ
10…画素アレイ部
12…画素
14…制御信号線
16,161,162…出力線
72…AF駆動行
74…撮像駆動行
Claims (16)
- 入射する光のうち瞳分割された一部の光が入射する第1の光電変換部と、瞳分割された他の一部の光が入射する第2の光電変換部と、前記第1の光電変換部及び前記第2の光電変換部から転送される電荷を保持する第1の保持部と、前記第1の保持部が保持する電荷の量に基づく信号を出力する増幅部と、をそれぞれが含む複数の画素を有し、
前記複数の画素のそれぞれは、第1の露光時間の間に前記第1の光電変換部で生成された電荷の量に基づく第1の信号と、前記第1の露光時間の間に前記第1の光電変換部及び前記第2の光電変換部で生成された電荷の量に基づく第2の信号と、前記第1の露光時間よりも短い第2の露光時間の間に前記第1の光電変換部で生成された電荷の量に基づく第3の信号と、前記第2の露光時間の間に前記第1の光電変換部及び前記第2の光電変換部で生成された電荷の量に基づく第4の信号と、を出力するように構成されており、
一のフレーム期間において、前記第1の信号及び前記第2の信号は、前記第3の信号及び前記第4の信号よりも前に出力し、他の一のフレーム期間において、前記第1の信号及び前記第2の信号は、前記第3の信号及び前記第4の信号よりも後に出力するように構成されている
ことを特徴とする撮像装置。 - 前記第1の信号が出力されるタイミングと前記第3の信号が出力されるタイミングとの間の間隔が、フレーム間で異なっている
ことを特徴とする請求項1記載の撮像装置。 - 前記第3の信号及び前記第4の信号が前記第1の信号及び前記第2の信号よりも先に出力されるフレームにおいて、前記第3の信号が出力されるタイミングと前記第1の信号が出力されるタイミングとの間の間隔が、1フレーム期間の半分の時間よりも長い
ことを特徴とする請求項2記載の撮像装置。 - 前記複数の画素のそれぞれは、
前記第1の光電変換部と前記第1の保持部との間に設けられ、前記第1の光電変換部から転送される電荷を保持する第2の保持部と、
前記第2の光電変換部と前記第1の保持部との間に設けられ、前記第2の光電変換部から転送される電荷を保持する第3の保持部と、を更に有し、
前記第1の光電変換部から前記第2の保持部への電荷の転送と、前記第2の光電変換部から前記第3の保持部への電荷の転送とは、前記複数の画素において同時に実行される
ことを特徴とする請求項1乃至3のいずれか1項に記載の撮像装置。 - 前記第1の信号及び前記第2の信号と、前記第3の信号及び前記第4の信号とのうち、前記第1の信号及び前記第2の信号が先に出力されるフレームでは、前記第3の信号は出力せず、前記第4の信号のみを出力する
ことを特徴とする請求項1乃至4のいずれか1項に記載の撮像装置。 - 前記第1の信号及び前記第2の信号と、前記第3の信号及び前記第4の信号とのうち、前記第3の信号及び前記第4の信号が先に出力されるフレームでは、前記第1の信号は出力せず、前記第2の信号のみを出力する
ことを特徴とする請求項1乃至5のいずれか1項に記載の撮像装置。 - 前記第1の信号及び前記第2の信号と、前記第3の信号及び前記第4の信号とを出力する順番は、前のフレームの信号に基づいて決定される
ことを特徴とする請求項1乃至6のいずれか1項に記載の撮像装置。 - 入射する光のうち瞳分割された一部の光が入射する第1の光電変換部と、瞳分割された他の一部の光が入射する第2の光電変換部と、前記第1の光電変換部から転送される電荷を保持する第1の保持部及び第2の保持部と、前記第2の光電変換部から転送される電荷を保持する第3の保持部及び第4の保持部と、前記第1の保持部及び前記第3の保持部から転送される電荷を保持する第5の保持部と、前記第2の保持部及び前記第4の保持部から転送される電荷を保持する第6の保持部と、前記第5の保持部が保持する電荷の量に基づく信号を出力する第1の増幅部と、前記第6の保持部が保持する電荷の量に基づく信号を出力する第2の増幅部と、をそれぞれが含む複数の画素を有し、
前記第1の保持部は、第1の露光期間の間に前記第1の光電変換部で生成された電荷を保持するように構成され、前記第2の保持部は、前記第1の露光期間よりも短い第2の露光期間の間に前記第1の光電変換部で生成された電荷を保持するように構成され、前記第3の保持部は、前記第1の露光期間の間に前記第2の光電変換部で生成された電荷を保持するように構成され、前記第4の保持部は、前記第2の露光期間の間に前記第2の光電変換部で生成された電荷を保持するように構成されており、
前記複数の画素のそれぞれは、前記第1の露光期間の間に前記第1の光電変換部で生成された電荷の量に基づく第1の信号と、前記第1の露光期間の間に前記第1の光電変換部及び前記第2の光電変換部で生成された電荷の量に基づく第2の信号と、前記第2の露光期間の間に前記第1の光電変換部で生成された電荷の量に基づく第3の信号と、前記第2の露光期間の間に前記第1の光電変換部及び前記第2の光電変換部で生成された電荷の量に基づく第4の信号と、を出力するように構成されている
ことを特徴とする撮像装置。 - 前記第1の信号及び前記第3の信号と、前記第2の信号及び前記第4の信号とが、それぞれ同時に出力される
ことを特徴とする請求項8記載の撮像装置。 - 前記第1の光電変換部に接続された第1の電荷排出トランジスタと、
前記第2の光電変換部に接続された第2の電荷排出トランジスタと
を更に有することを特徴とする請求項8又は9記載の撮像装置。 - 前記第1の露光期間の時間的な重心の位置と、前記第2の露光期間の時間的な重心の位置とが一致している
ことを特徴とする請求項8乃至10のいずれか1項に記載の撮像装置。 - 前記第1の信号及び前記第2の信号と、前記第3の信号及び前記第4の信号とのうち、各フレームにおいて先に出力されるものは、焦点検出に用いられ、
前記第2の信号と前記第3の信号とは、高ダイナミックレンジ画像の合成に用いられる
ことを特徴とする請求項1乃至11のいずれか1項に記載の撮像装置。 - 前記複数の画素は、複数の行を形成するように配置されており、
前記複数の行は、前記第1の信号、前記第2の信号、前記第3の信号及び前記第4の信号を出力する前記画素を含む複数の第1の行と、前記第2の信号及び前記第4の信号のみを出力する前記画素を含む複数の第2の行とを含み、
前記複数の第2の行の前記画素よりも先に、前記複数の第1の行の前記画素の読み出しが実行される
ことを特徴とする請求項1乃至12のいずれか1項に記載の撮像装置。 - 前記複数の画素から前記第1の信号、前記第2の信号、前記第3の信号及び前記第4の信号を出力するための制御信号を供給する制御信号供給部を更に有する
ことを特徴とする請求項1乃至13のいずれか1項に記載の撮像装置。 - 請求項1乃至14のいずれか1項に記載の撮像装置と、
前記撮像装置から出力される信号を処理する信号処理部と
を有することを特徴とする撮像システム。 - 入射する光のうち瞳分割された一部の光が入射する第1の光電変換部と、瞳分割された他の一部の光が入射する第2の光電変換部と、前記第1の光電変換部及び前記第2の光電変換部から転送される電荷を保持する第1の保持部と、前記第1の保持部が保持する電荷の量に基づく信号を出力する増幅部と、をそれぞれが含む複数の画素を有する撮像装置の駆動方法であって、
第1の露光時間の間に前記第1の光電変換部で生成された電荷の量に基づく第1の信号を出力するステップと、
前記第1の露光時間の間に前記第1の光電変換部及び前記第2の光電変換部で生成された電荷の量に基づく第2の信号を出力するステップと、
前記第1の露光時間よりも短い第2の露光時間の間に前記第1の光電変換部で生成された電荷の量に基づく第3の信号を出力するステップと、
前記第2の露光時間の間に前記第1の光電変換部及び前記第2の光電変換部で生成された電荷の量に基づく第4の信号を出力するステップとを有し、
一のフレーム期間において、前記第1の信号及び前記第2の信号は、前記第3の信号及び前記第4の信号よりも前に出力し、他の一のフレーム期間において、前記第1の信号及び前記第2の信号は、前記第3の信号及び前記第4の信号よりも後に出力する
ことを特徴とする撮像装置の駆動方法。
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