JP2019036770A - 撮像装置及び撮像システム - Google Patents
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Abstract
【課題】画素面積を拡大することなく画素の飽和電荷量を増加するとともに、画素の取り扱う電荷量が少ない場合にも画素信号に重畳するノイズを低減しうる撮像装置及び撮像システムを提供する。【解決手段】光電変換により電荷を生成する光電変換部と、光電変換部で生成された電荷を保持する保持部と、光電変換部で生成された電荷に基づく信号を出力する増幅部と、光電変換部から保持部へ電荷を転送する第1の転送部と、保持部から増幅部へ電荷を転送する第2の転送部と、をそれぞれが有する第1及び第2の画素と、1回の露光期間の間に第1の画素の光電変換部で生成された電荷を、第1の回数の転送動作により光電変換部から保持部に転送し、1回の露光期間の間に第2の画素の光電変換部で生成された電荷を、第2の回数の転送動作により光電変換部から保持部に転送するように、第1及び第2の画素の第1の転送部を制御する。【選択図】図4
Description
本発明は、撮像装置及び撮像システムに関する。
近年、CMOSイメージセンサにおいて、グローバル電子シャッタ動作により撮像を行うことが提案されている。グローバル電子シャッタ動作は、複数の画素の間で露光期間が一致するように撮像を行う駆動方法であり、動きの速い被写体を撮影する場合でも被写体像がゆがみにくいという利点がある。
特許文献1には、グローバル電子シャッタ機能を備えた撮像装置が記載されている。特許文献1に記載の撮像装置では、光電変換部から電荷保持部への電荷の転送を複数回に分けて行うことで、画素面積を拡大することなく画素の飽和電荷量を増加している。
しかしながら、光電変換部から電荷保持部への電荷の転送を複数回に分けて行うと、その度毎に生じるノイズが画素信号に重畳し、画質を低下することがあった。特に、画素が取り扱う電荷量が少ない場合には、ノイズの影響が顕著であった。
本発明の目的は、画素面積を拡大することなく画素の飽和電荷量を増加するとともに、画素の取り扱う電荷量が少ない場合にも画素信号に重畳するノイズを低減しうる撮像装置及び撮像システムを提供することにある。
本発明の一観点によれば、光電変換により電荷を生成する光電変換部と、前記光電変換部で生成された電荷を保持する保持部と、前記光電変換部で生成された電荷に基づく信号を出力する増幅部と、前記光電変換部から前記保持部へ電荷を転送する第1の転送部と、前記保持部から前記増幅部へ電荷を転送する第2の転送部と、をそれぞれが有する第1及び第2の画素と、1回の露光期間の間に前記第1の画素の前記光電変換部で生成された電荷を、第1の回数の転送動作により前記光電変換部から前記保持部に転送し、1回の露光期間の間に前記第2の画素の前記光電変換部で生成された電荷を、前記第1の回数よりも少ない第2の回数の転送動作により前記光電変換部から前記保持部に転送するように、前記第1及び第2の画素の前記第1の転送部を制御する転送制御部とを有する撮像装置が提供される。
また、本発明の他の一観点によれば、光電変換により電荷を生成する光電変換部と、前記光電変換部で生成された電荷を保持する保持部と、前記光電変換部で生成された電荷に基づく信号を出力する増幅部と、前記光電変換部から前記保持部へ電荷を転送する第1の転送部と、前記保持部から前記増幅部へ電荷を転送する第2の転送部と、をそれぞれが有する第1及び第2の画素を有する撮像装置の駆動方法であって、1回の露光期間の間に前記第1の画素の前記光電変換部で生成された電荷を、第1の回数の転送動作により前記光電変換部から前記保持部に転送し、1回の露光期間の間に前記第2の画素の前記光電変換部で生成された電荷を、前記第1の回数よりも少ない第2の回数の転送動作により前記光電変換部から前記保持部に転送する撮像装置の駆動方法が提供される。
本発明によれば、画素面積を拡大することなく画素の飽和電荷量を増加するとともに、画素の取り扱う電荷量が少ない場合には画素信号に重畳するノイズを低減し、画質を向上することができる。
[第1実施形態]
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5を用いて説明する。図1は、本実施形態による撮像装置の概略構成を示すブロック図である。図2は、本実施形態による撮像装置の画素の構成例を示す回路図である。図3は、画素アレイ部内における画素の配置を説明する図である。図4及び図5は、本実施形態による撮像装置の駆動方法を示すタイミングチャートである。
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5を用いて説明する。図1は、本実施形態による撮像装置の概略構成を示すブロック図である。図2は、本実施形態による撮像装置の画素の構成例を示す回路図である。図3は、画素アレイ部内における画素の配置を説明する図である。図4及び図5は、本実施形態による撮像装置の駆動方法を示すタイミングチャートである。
はじめに、本実施形態による撮像装置の概略構成について、CMOSイメージセンサを例に挙げ、図1乃至図3を用いて説明する。
本実施形態による撮像装置100は、図1に示すように、画素アレイ部10と、垂直走査回路20と、読み出し回路30と、水平走査回路40と、出力回路50と、制御回路60とを有している。
画素アレイ部10には、複数の行及び複数の列に渡ってマトリクス状に配された複数の画素12が設けられている。画素アレイ部10の各行には、第1の方向(図1において横方向)に延在して、制御線14が配されている。制御線14は、第1の方向に並ぶ画素12にそれぞれ接続され、これら画素12に共通の信号線をなしている。本明細書では、制御線14の延在する第1の方向を、行方向と表記することがある。また、画素アレイ部10の各列には、第1の方向と交差する第2の方向(図1において縦方向)に延在して、出力線16が配されている。出力線16は、第2の方向に並ぶ画素12にそれぞれ接続され、これら画素12に共通の信号線をなしている。本明細書では、出力線16の延在する第2の方向を、列方向と表記することがある。
垂直走査回路20は、画素12から画素信号を読み出す際に画素12内の読み出し回路を駆動するための制御信号を、制御線14を介して画素12に供給する回路部である。画素12から読み出された信号は、画素アレイ部10の列毎に設けられた出力線16を介して読み出し回路30に入力される。
読み出し回路30は、画素12から読み出された信号に対して所定の処理、例えば、増幅処理や加算処理等の信号処理を実施する回路部である。読み出し回路30は、例えば、列アンプ、相関二重サンプリング(CDS)回路、加算回路等を含み得る。読み出し回路30は、必要に応じてA/D変換回路等を更に含んでもよい。
水平走査回路40は、読み出し回路30において処理された信号を列毎に順次、出力回路50に転送するための制御信号を、読み出し回路30に供給する回路部である。出力回路50は、バッファアンプや差動増幅器などから構成され、水平走査回路40によって選択された列の信号を増幅して出力するための回路部である。
制御回路60は、垂直走査回路20、読み出し回路30及び水平走査回路40に、それらの動作やタイミングを制御する制御信号を供給するための回路部である。垂直走査回路20、読み出し回路30及び水平走査回路40に供給する制御信号の一部又は総ては、撮像装置100の外部から供給してもよい。なお、本明細書では、制御回路60或いは垂直走査回路20を、転送制御部と表記することがある。
図2は、画素アレイ部10を構成する画素回路の一例を示す回路図である。図2には、画素アレイ部10を構成する画素12のうち、3行×3列に配列された9個の画素12を示しているが、画素アレイ部10を構成する画素12の数は、特に限定されるものではない。
複数の画素12の各々は、光電変換部Dと、転送トランジスタM1,M2と、リセットトランジスタM3と、増幅トランジスタM4と、選択トランジスタM5と、電荷排出トランジスタM6とを含む。光電変換部Dは、例えばフォトダイオードである。光電変換部Dのフォトダイオードは、アノードが接地電圧端子に接続され、カソードが転送トランジスタM1のソース及び電荷排出トランジスタM6のソースに接続されている。転送トランジスタM1のドレインは、転送トランジスタM2のソースに接続されている。転送トランジスタM1のドレインと転送トランジスタM2のソースとの接続ノードに寄生する容量は、電荷の保持部としての機能を備える。図2には、この容量を容量素子(C1)で表している。以後の説明では、この容量素子を、保持部C1と表記することがある。
転送トランジスタM2のドレインは、リセットトランジスタM3のソース及び増幅トランジスタM4のゲートに接続されている。転送トランジスタM2のドレイン、リセットトランジスタM3のソース及び増幅トランジスタM4のゲートの接続ノードは、いわゆる浮遊拡散(フローティングディフュージョン:FD)領域である。FD領域に寄生する容量(浮遊拡散容量)は、電荷の保持部としての機能を備える。図2には、この容量を、FD領域に接続された容量素子(C2)で表している。以後の説明では、FD領域を、保持部C2と表記することがある。リセットトランジスタM3のドレインは、電源電圧線(VRES)に接続されている。増幅トランジスタM4のドレインは、電源電圧端子(VDD)に接続されている。電荷排出トランジスタM6のドレインは、電源電圧端子(VOFD)に接続されている。リセットトランジスタM3のドレインに供給される電圧(VRES)、増幅トランジスタM4のドレインに供給される電圧(VDD)、電荷排出トランジスタM6のドレインに供給される電圧(VOFD)は、同じであってもよいし、異なっていてもよい。増幅トランジスタM4のソースは、選択トランジスタM5のドレインに接続されている。選択トランジスタM5のソースは、出力線16に接続されている。なお、画素12の選択トランジスタM5は、省略してもよい。この場合、出力線16は、増幅トランジスタM4のソースに接続される。出力線16には、電流源18が接続されている。
各行の制御線14は、制御線TX1、制御線TX2、制御線RES、制御線SEL、制御線OFGを含む。制御線TX1は、行方向に並ぶ画素12の転送トランジスタM1のゲートにそれぞれ接続され、これら画素12に共通の信号線をなしている。制御線TX2は、行方向に並ぶ画素12の転送トランジスタM2のゲートにそれぞれ接続され、これら画素12に共通の信号線をなしている。制御線RESは、行方向に並ぶ画素12のリセットトランジスタM3のゲートにそれぞれ接続され、これら画素12に共通の信号線をなしている。制御線SELは、行方向に並ぶ画素12の選択トランジスタM5のゲートにそれぞれ接続され、これら画素12に共通の信号線をなしている。制御線OFGは、行方向に並ぶ画素12の電荷排出トランジスタM6のゲートにそれぞれ接続され、これら画素12に共通の信号線をなしている。なお、図2には、各制御線の名称に、対応する行番号をそれぞれ付記している(例えば、TX1(m−1),TX1(m),TX1(m+1))。
制御線TX1、制御線TX2、制御線RES、制御線SEL、制御線OFGは、垂直走査回路20に接続されている。制御線TX1には、垂直走査回路20から、転送トランジスタM1を制御するための駆動パルスである制御信号PTX1が出力される。制御線TX2には、垂直走査回路20から、転送トランジスタM2を制御するための駆動パルスである制御信号PTX2が出力される。制御線RESには、垂直走査回路20から、リセットトランジスタM3を制御するための駆動パルスである制御信号PRESが出力される。制御線SELには、垂直走査回路20から、選択トランジスタM5を制御するための駆動パルスである制御信号PSELが出力される。制御線OFGには、垂直走査回路20から、電荷排出トランジスタM6を制御するための駆動パルスである制御信号POFGが出力される。画素12の各トランジスタがN型トランジスタで構成される場合、垂直走査回路20からハイレベルの制御信号が出力されると対応するトランジスタがオンとなり、垂直走査回路20からローレベルの制御信号が出力されると対応するトランジスタがオフとなる。これら制御信号は、制御回路60からの所定のタイミング信号に応じて、垂直走査回路20から供給される。垂直走査回路20には、シフトレジスタやアドレスデコーダなどの論理回路が用いられる。
光電変換部Dは、入射光をその光量に応じた量の電荷に変換(光電変換)するとともに、生じた電荷を蓄積する。転送トランジスタM1は、光電変換部Dが保持する電荷を保持部C1に転送する。保持部C1は、光電変換部Dで生成された電荷を、光電変換部Dとは別の場所で保持する。転送トランジスタM2は、保持部C1が保持する電荷を保持部C2に転送する。保持部C2は、保持部C1から転送された電荷を保持するとともに、増幅部の入力ノード(増幅トランジスタM4のゲート)の電圧を、その容量と転送された電荷の量とに応じた電圧に設定する。本明細書では、転送トランジスタM1,M2を転送部と表記することがある。リセットトランジスタM3は保持部C2を、電圧VRESに応じた所定の電圧にリセットする。電荷排出トランジスタM6は、光電変換部Dに蓄積されている電荷をオーバーフロードレインなどの電源ノード(ここでは、電源電圧端子VOFD)に排出する。
選択トランジスタM5は、出力線16に信号を出力する画素12を選択する。増幅トランジスタM4は、ドレインに電圧VDDが供給され、ソースに選択トランジスタM5を介して電流源18からバイアス電流が供給される構成となっており、ゲートを入力ノードとする増幅部(ソースフォロワ回路)を構成する。これにより増幅トランジスタM4は、入射光によって生じた電荷に基づく信号Voutを、出力線16に出力する。なお、図2には、信号Voutに、対応する列番号をそれぞれ付記している(Vout(p−1),Vout(p),Vout(p+1))。
このような構成により、保持部C1が電荷を保持している間に光電変換部Dで生じた電荷は、光電変換部Dに蓄積することができる。これにより、複数の画素12の間で露光期間が一致するような撮像動作、いわゆるグローバル電子シャッタ動作を行うことが可能となる。なお、電子シャッタとは、入射光によって生じた電荷の蓄積を電気的に制御することである。
画素アレイ部10は、図3に示すように、第1の領域72と、第2の領域74とを含む。第1の領域72は、例えば、第1の方向に平行な2辺と第2の方向に平行な2辺とにより規定される矩形状の領域である。第2の領域74は、例えば、第1の方向に平行な第1の領域72の1辺と、第2の方向に平行な第1の領域72の1辺とに接するL字状の領域である。
第1の領域72には、光電変換部Dで生成される電荷の量が相対的に多い画素12が配される。一方、第2の領域74には、光電変換部Dで生成される電荷の量が相対的に少ない画素12が配される。例えば、第1の領域72は、撮像データ取得用の画素12が配された領域であり、有効画素領域と呼ばれることもある。一方、第2の領域74は、画像のシェーディング補正や固定パターンノイズ補正などに使用される補正データ取得用の遮光膜で覆われた画素12が配された領域であり、遮光領域やオプティカルブラック(OB)領域と呼ばれることもある。
なお、画素アレイ部10内における第1の領域72と第2の領域74の配置は、必ずしも図3に示した配置と同じである必要はない。また、第1の領域72及び第2の領域74に配される画素12の種類も、上記の例に限定されるものではない。
次に、本実施形態による撮像装置の駆動方法について、図4及び図5を用いて説明する。図4は、1フレーム期間における電荷排出トランジスタM6、転送トランジスタM1及び転送トランジスタM2の動作を示すタイミングチャートである。図4には、画素アレイ部10を構成する複数の画素12のうち、第2の領域74に配された第m−1行の画素12及び第m行の画素12と、第1の領域72に配された第n−1行の画素12及び第n行の画素12とに供給する制御信号を示している。図5は、1水平期間における信号の読み出し動作を示すタイミングチャートである。なお、ここでは同じ行に属する画素12を同じ制御信号で駆動する例を示すが、同じ行に属する画素12を異なる制御信号で駆動するようにしてもよい。
図4において、時刻T1より前の期間には、前フレームの蓄積動作が行われている。時刻T1の直前において、各行の制御信号PTX1はハイレベルであり、各行の制御信号POFG,PTX2はローレベルである。
時刻T1において、垂直走査回路20は、総ての行の制御線TX1に供給される制御信号PTX1をハイレベルからローレベルへと制御し、総ての行の画素12の転送トランジスタM1をオフにする。これにより、前フレームの各行の露光期間が同時に終了する。前フレームの露光期間の間に各画素12の光電変換部Dで生成された電荷は、時刻T1には総て保持部C1へと転送されている。
続く時刻T2において、垂直走査回路20は、総ての行の制御線OFGに供給される制御信号POFGをローレベルからハイレベルへと制御し、総ての行の画素12の電荷排出トランジスタM6をオンにする。これにより、光電変換部Dに蓄積されていた電荷は、電荷排出トランジスタM6を介して排出される。
制御信号POFGは、時刻T2から時刻T8までの期間、ハイレベルのまま維持される。時刻T2から時刻T8の間に光電変換部Dで生成された電荷も、光電変換部Dには蓄積されず、電荷排出トランジスタM6を介して排出される。制御信号POFGがローレベルとなる時刻T8から、総ての行の画素12の光電変換部Dにおける電荷の蓄積が同時に開始する。すなわち時刻T8が、次フレームの露光期間の開始時刻となる。
時刻T1以降、前フレームの露光期間の間に生成され各画素12の保持部C1へと転送された電荷を、行単位で順次、保持部C1から保持部C2へと転送する。これにより、保持部C2に転送された電荷の量に応じた画素信号を、増幅トランジスタM4、選択トランジスタM5及び出力線16を介して、読み出し回路30に出力する。
各行の読み出し動作は、例えば図5に示すタイミングチャートに従って実施する。図5の動作では、画素12の選択、リセット、ノイズ信号の読み出し(N読み)、保持部C1から保持部C2への電荷の転送、光信号の読み出し(S読み)、を順次行う。図4には、図5に示す制御信号のうち、制御信号PTX2のみが示されている。図5には、一例として、第m−1行の画素12からの読み出しを行うときの時刻を記載している。
ここで、図4に示す第m−1行の画素12からの読み出し動作を例にして、各行の読み出し動作を、図5を用いて説明する。
図示しない第m−2行の読み出し動作が完了した後の時刻T3において、垂直走査回路20は、第m−1行の制御線SELに供給する制御信号PSELをローレベルからハイレベルへと制御する。これにより、第m−1行の画素12の選択トランジスタM5がオンになり、第m−1行目の画素12が選択状態となる。
次いで、時刻T4において、垂直走査回路20は、第m−1行の制御線RESに供給する制御信号PRESをローレベルからハイレベルへと制御し、第m−1行の画素12のリセットトランジスタM3をオンにする。これにより、第m−1行の画素12の保持部C2を、電圧VRESに応じた所定の電圧にリセットする。
次いで、垂直走査回路20は、第m−1行の制御信号PRESをハイレベルからローレベルへと制御し、第m−1行目の画素12のリセットトランジスタM3をオフにし、保持部C2のリセットを解除する。読み出し回路30には、リセットトランジスタM3をオフにした後の保持部C2のリセット電圧に基づく画素信号(ノイズ信号)が、増幅トランジスタM4、選択トランジスタM5及び出力線16を介して出力される(N読み)。
次いで、ノイズ信号を読み出した後の時刻T5において、垂直走査回路20は、第m−1行の制御線TX2に供給する制御信号PTX2をローレベルからハイレベルへと制御する。これにより、第m−1行の画素12の転送トランジスタM2をオンにし、保持部C1に保持されていた電荷を保持部C2へと転送する。
次いで、垂直走査回路20は、第m−1行の制御信号PTX2をハイレベルからローレベルへと制御し、第m−1行の画素12の転送トランジスタM2をオフにする。読み出し回路30には、保持部C2に転送された電荷の量に基づく画素信号(光信号)が、増幅トランジスタM4、選択トランジスタM5及び出力線16を介して出力される(S読み)。なお、画素12からは、ノイズ信号を読み出さず、光信号のみを読み出すようにしてもよい。
次いで、時刻T7において、垂直走査回路20は、第m−1行の制御信号PSELをハイレベルからローレベルへと制御し、第m−1行の画素12の選択トランジスタM5をオフにして、第m−1行の画素12の選択を解除する。
この後、第m−1行の画素12の読み出し動作と同様にして、第m行、…、第n−1行、第n行、…、の読み出し動作を行う。
このようにして、時刻T1から時刻T9までの期間に、総ての行について同様の読み出し動作を行い、前フレームの露光期間の間に蓄積された電荷に基づく画素信号を、行毎に順次、画素12から読み出し回路30へと出力する。
出力線16を介して画素12から出力された信号は、水平走査回路40から供給される制御信号に従い、出力回路50を介して順次、撮像装置100の外部へと出力される。画素12から読み出された信号は、撮像装置100内(例えば読み出し回路30)においてAD変換処理を実施しデジタル信号として出力してもよいし、アナログ信号のまま撮像装置100の外部に出力した後にAD変換処理を実施してもよい。
次フレームの露光期間は、制御信号POFGがローレベルとなる時刻T8から開始する。次フレームの露光期間は、制御信号POFGが次にハイレベルになるタイミングよりも前であって、制御信号PTX1が最後にハイレベルからローレベルへと遷移するタイミング、すなわち時刻T15に終了する。
ここで、本実施形態による撮像装置の駆動方法では、露光期間中における画素12の駆動が、第1の領域72に配された画素12と第2の領域74に配された画素12とで異なっている。
すなわち、第1の領域72に配された画素12では、例えば第n−1行目の動作として図4に示されるように、時刻T11から時刻T15までの間に、転送トランジスタM1を断続的に複数回(ここでは4回)オンにしている。すなわち、垂直走査回路20は、前フレームの画素信号の読み出しが完了した後の時刻T11から露光期間の終了時刻である時刻T15までの間に4回、制御信号PTX1をハイレベルに制御している。制御信号PTX1を最後(4回目)にハイレベルからローレベルへと制御するタイミングが、時刻T15である。露光期間の間に転送トランジスタM1を断続的に複数回オンにすることで、光電変換部Dで生成された電荷は、その都度、保持部C1へと転送され、保持部C1において加算され保持される。時刻T15には、時刻T8から時刻T15の間に光電変換部Dで生成された総ての電荷が、保持部C1において保持されることになる。
第1の領域72に配された画素12において光電変換部Dから保持部C1に断続的に複数回の電荷の転送を行っているのは、画素サイズの拡大を抑制しつつ画素12の飽和電荷量を確保するためである。光電変換部Dから保持部C1へ1回で電荷を転送するためには、光電変換部Dの飽和電荷量と保持部C1の飽和電荷量とがほぼ同じである必要がある。この場合、画素12の飽和電荷量を増やすためには光電変換部Dの飽和電荷量と保持部C1の飽和電荷量とを共に大きくしなければならず、画素サイズの拡大を避けることはできない。光電変換部Dから保持部C1への電荷の転送を複数回に分けて行う構成とすることにより、光電変換部Dの飽和電荷量を増やすことなく、画素12の飽和電荷量を確保することができる。例えば、光電変換部Dの飽和電荷量をQP、保持部C1の飽和電荷量をQM、光電変換部Dから保持部C1への転送回数をNとすると、飽和電荷量QPはQM/N程度にすることができ、画素サイズの拡大を抑制することができる。
なお、本実施形態では、第1の領域72に配された画素12における光電変換部Dから保持部C1への電荷の転送回数を4回としたが、必ずしも4回である必要はなく、光電変換部Dと保持部C1との飽和電荷量の関係等に応じて適宜変更が可能である。
これに対し、第2の領域74に配された画素12では、例えば第m−1行目の動作として図4に示されるように、時刻T11から時刻T15までの間に転送トランジスタM1をオンにする回数は1回だけである。すなわち、垂直走査回路20は、前フレームの画素信号の読み出しが完了した後の時刻T11から露光期間の終了時刻である時刻T15までの間に、制御信号PTX1を1回だけハイレベルに制御している。このパルス駆動において、制御信号PTX1をハイレベルからローレベルへと制御するタイミングが、時刻T15である。
前述のように、光電変換部Dで生成される電荷の量が多い場合には、光電変換部Dから保持部C1への電荷の転送を複数回に分けて行うことが有効である。しかしながら、遮光領域に配された画素12の場合など、光電変換部Dで生成される電荷の量が少ないことが予め分かっている場合には、必ずしも複数回に分けて電荷転送を行う必要はなく、少なくとも1回の電荷転送を行えばよい。逆に、光電変換部Dから保持部C1への電荷の転送動作を複数回行うと、転送トランジスタM1のスイッチングに伴う転送ノイズが、その都度、画素信号に重畳する可能性がある。このため、例えば第2の領域74に配された画素12のように、補正データを取得するために用いられる画素12においては特に、ノイズ成分低減の観点から、光電変換部Dから保持部C1への電荷の転送回数はできるだけ少ないことが望ましい。
露光期間の終期は、前述のように、制御信号POFGが次にハイレベルになるタイミングよりも前の期間であって、制御信号PTX1が最後にハイレベルからローレベルへと遷移するタイミングで決まる。このタイミングは、第1の領域72に配された複数の画素12と、第2の領域74に配された複数の画素12とにおいて、同時であることが望ましい。すなわち、有効画素領域に配された画素12においては、露光期間のタイミングを揃えることは電荷蓄積の同時性を保つために重要である。また、遮光領域に配された画素12においては、露光時間に依存して発生するノイズ、例えば暗電流の量を有効画素領域と同程度とするために、有効画素領域に配された画素12と露光時間を揃えることが望ましい。図4の例では、第1の領域72に配された画素12の露光期間と、第2の領域74に配された画素12の露光期間とが、時刻T15において同時に終了するように、各行の制御信号PTX1を制御している。
本実施形態による撮像装置の駆動方法では、前述のように、光電変換部Dで生成される電荷が多い領域と少ない領域とにおいて、露光期間中における光電変換部Dから保持部C1への電荷の転送回数を変えている。このように構成することにより、最大の飽和電荷量を維持しつつ、転送動作により発生するノイズを低減することができ、より画質を向上することができる。
なお、本実施形態では、第2の領域74として遮光領域を例示したが、第2の領域74は必ずしも遮光領域である必要はない。例えば、本実施形態の駆動方法における第2の領域74の画素12に対する動作を、光電変換部Dで生成される電荷の量が少ないことが予め判っている領域の画素12に適用することで、転送ノイズを低減することができる。あるいは、撮像した画像から、画素アレイ部10の入射光の光量の分布を推測し、第1の領域72と第2の領域74とを選択してもよい。あるいは、被写体の明るさや輝度を測定する測定手段を設け、当該測定手段の測定結果に基づいて第1の領域72と第2の領域74とを選択してもよい。
このように、本実施形態によれば、画素面積を拡大することなく画素12の飽和電荷量を増加するとともに、画素12の取り扱う電荷量が少ない場合には画素信号に重畳するノイズを低減し、画質を向上することができる。
[第2実施形態]
本発明の第2実施形態による撮像装置の駆動方法について、図6を用いて説明する。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。図6は、本実施形態による撮像装置の駆動方法を示すタイミングチャートである。
本発明の第2実施形態による撮像装置の駆動方法について、図6を用いて説明する。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。図6は、本実施形態による撮像装置の駆動方法を示すタイミングチャートである。
本実施形態では、図1乃至図3を用いて説明した第1実施形態による撮像装置の他の駆動方法を説明する。本実施形態による撮像装置の駆動方法は、図6に示すように、第2の領域74(遮光領域)に配された画素12の露光期間中における制御信号PTX1の駆動が、第1実施形態とは異なっている。
転送チャネル(転送トランジスタM1)で発生する暗電流が多い場合、制御信号PTX1がハイレベルになっている期間、すなわち転送トランジスタM1がオンになっている期間が長いほど、暗電流の増加も顕著となる。このような場合、第1の領域72の画素12と第2の領域74の画素12とにおいて光電変換部Dから保持部C1への電荷の転送回数が大きく異なると、これら画素12の間の暗電流の差が大きくなり、撮像データに対して好適な補正データの取得が困難となる。
そこで、本実施形態による撮像装置の駆動方法では、第2の領域74に配された画素12においても、露光期間中における光電変換部Dから保持部C1への電荷の転送回数を複数回(ここでは2回)に設定している。具体的には、第1実施形態で説明した1回の電荷転送に加えて、第1の領域72に配された画素12の2回目の電荷転送と同じタイミングである時刻T12にも、光電変換部Dから保持部C1への電荷転送を行っている。
第2の領域74に配された画素12において、露光期間中における光電変換部Dから保持部C1への電荷の転送回数を1回から2回以上の複数回に増やすことにより、第1の領域72に配された画素12との間の暗電流の差を少なくすることができる。また、第2の領域74に配された画素12における電荷の転送回数を、第1の領域72に配された画素12における電荷の転送回数よりも少なくすることで、第2の領域74に配された画素12における転送ノイズを低減することができる。したがって、本実施形態の駆動方法によれば、撮像データに対してより好適な補正データの取得が可能となる。
このように、本実施形態によれば、画素面積を拡大することなく画素12の飽和電荷量を増加するとともに、画素12の取り扱う電荷量が少ない場合には画素信号に重畳するノイズを低減し、画質を向上することができる。
[第3実施形態]
本発明の第3実施形態による撮像装置の駆動方法について、図7を用いて説明する。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。図7は、本実施形態による撮像装置の駆動方法を示すタイミングチャートである。
本発明の第3実施形態による撮像装置の駆動方法について、図7を用いて説明する。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。図7は、本実施形態による撮像装置の駆動方法を示すタイミングチャートである。
本実施形態においても、図1乃至図3を用いて説明した第1実施形態による撮像装置の他の駆動方法を説明する。本実施形態による撮像装置の駆動方法は、図7に示すように、第2の領域74(遮光領域)に配された画素12の露光期間中における制御信号PTX1の駆動方法が、第1及び第2実施形態による撮像装置の駆動方法とは異なっている。
第2実施形態では、第2の領域74に配された画素12において、露光期間中における光電変換部Dから保持部C1への電荷の転送回数を複数回にすることで、第1の領域72に配された画素12との間の暗電流の差を低減した。
これに対し、本実施形態による撮像装置の駆動方法では、制御信号PTX1をハイレベルに設定する期間の長さを制御することによって、第1の領域72に配された画素12との間の暗電流の差を低減している。具体的には、第2の領域74に配された画素12において、時刻T13から時刻T15までの期間、制御信号PTX1をハイレベルで保持する。第2の領域74に配された画素12における1回の電荷の転送期間に相当する時刻T13から時刻T15までの期間の長さは、第1の領域72に配された画素12の露光期間の間に4回行われる電荷の転送期間の合計の長さと同等である。
このように構成することで、第1の領域72に配された画素12における電荷転送の際に生じる暗電流と、第2の領域74に配された画素12における電荷転送の際に生じる暗電流とを同程度に制御することが可能となる。また、第2実施形態の場合のように第2の領域74に配された画素12における電荷の転送回数を増やす必要がないため、転送ノイズが増加することもない。これにより、撮像データに対してより好適な補正データの取得が可能となる。
このように、本実施形態によれば、画素面積を拡大することなく画素12の飽和電荷量を増加するとともに、画素12の取り扱う電荷量が少ない場合には画素信号に重畳するノイズを低減し、画質を向上することができる。
[第4実施形態]
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8を用いて説明する。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。図8は、本実施形態による撮像装置の駆動方法を示すタイミングチャートである。
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8を用いて説明する。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。図8は、本実施形態による撮像装置の駆動方法を示すタイミングチャートである。
本実施形態においても、図1乃至図3を用いて説明した第1実施形態による撮像装置の他の駆動方法を説明する。本実施形態による撮像装置の駆動方法は、図8に示すように、第2の領域74(遮光領域)に配された画素12の露光期間中における制御信号PTX1の駆動方法が、第1乃至第3実施形態による撮像装置の駆動方法とは異なっている。
すなわち、本実施形態による撮像装置の駆動方法では、図8に示すように、第2の領域74に配された画素12の制御信号PTX1のパルス幅を、第1の領域72に配された画素12の制御信号PTX1のパルス幅よりも狭くなるように制御している。第1の領域72に配された画素12及び第2の領域74に配された画素12における露光期間中の電荷の転送回数は、第1実施形態の場合と同様である。
転送トランジスタM1で発生する暗電流が多い場合において、補正データの取得領域(第2の領域74)における暗電流の低減に重点を置く場合、制御信号PTX1の駆動回数を減らすとともに、制御信号PTX1のパルス幅を狭めることが望ましい。第2の領域74における取扱い電荷量が少ないことが予め分かっている場合には、電荷の転送に必要な時間を短くできるため、制御信号PTX1のパルス幅を狭めることが可能である。制御信号PTX1のパルス幅を狭めることで、暗電流を低減することが可能となる。
このように、本実施形態によれば、画素面積を拡大することなく画素12の飽和電荷量を増加するとともに、画素12の取り扱う電荷量が少ない場合は画素信号に重畳するノイズを低減し、画質を向上することができる。
[第5実施形態]
本発明の第5実施形態による撮像装置の駆動方法について、図9及び図10を用いて説明する。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。図9は、転送トランジスタに供給する制御信号を生成する回路の一例を示す概略図である。図10は、本実施形態による撮像装置の駆動方法を示すタイミングチャートである。
本発明の第5実施形態による撮像装置の駆動方法について、図9及び図10を用いて説明する。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。図9は、転送トランジスタに供給する制御信号を生成する回路の一例を示す概略図である。図10は、本実施形態による撮像装置の駆動方法を示すタイミングチャートである。
本実施形態では、第1の領域72の画素12に供給する制御信号PTX1と、第2の領域74の画素12に供給する制御信号PTX1とを生成する方法の一例を示す。
各行の画素12に制御線14を介して供給される制御信号PTX1は、制御回路60(タイミングジェネレータ)から垂直走査回路20に供給される制御信号に基づいて生成される。制御信号PTX1は、制御回路60から各行の制御線TX1に直接供給してもよいが、制御回路60から供給される信号をマスク信号によって制御することもできる。
図9は、各行の画素12に供給する制御信号PTX1を、マスク信号PMASKを用いて生成する方法の一例を示す概略図である。図8には、第1の領域72に配された第n−1行の制御線TX(n−1)及び第n行の制御線TX1(n)、第2の領域74に配された第m−1行の制御線TX1(m−1)及び第m行の制御線TX1(m)を示している。また、マスク信号PMASKを供給する信号線MASKを示している。
第1の領域72に配された第n−1行の制御線TX1(n−1)には、制御信号PTX1(n−1)がそのまま供給される。同様に、第1の領域72に配された第n行の制御線TX1(n)には、制御信号PTX1(n)がそのまま供給される。
一方、第2の領域74に配された第m−1行の制御線TX1(m−1)には、制御信号PTX1(m−1)とマスク信号PMASKとを入力とするANDゲート76の出力信号が供給される。同様に、第2の領域74に配された第m行の制御線TX1(m)には、制御信号PTX1(m)とマスク信号PMASKとを入力とするANDゲート76の出力信号が供給される。
このように構成することによって、第1の領域72の制御線TX1に供給する制御信号PTX1と、第2の領域74の制御線TX1に供給する制御信号PTX1とを、マスク信号PMASKによって制御することができる。
図10は、図9の回路を用いて図4に示すタイミングチャートを実現するための一例を示すタイミングチャートである。図10に示すタイミングチャートにおいて、マスク信号PMASKは、時刻T10から時刻T14の期間においてローレベルであり、それ以外の期間においてハイレベルである。時刻T10は、露光期間内の時刻であって、制御信号PTX1をハイレベルに制御する4回の期間のうち、最初の期間よりも前の時刻である。時刻T14は、露光期間内の時刻であって、制御信号PTX1をハイレベルに制御する4回の期間のうち、3回目と4回目との間の時刻である。
図10に示すマスク信号PMASKを用いることで、露光期間中に供給される制御信号PTX1の4つのパルス信号のうち、1つ目から3つ目のパルス信号が無効化され、4つ目のパルス信号だけが第2の領域74の制御線TX1に供給されることになる。これにより、図4に示す駆動を実現することができる。
第2の領域74の制御線TX1に供給される制御信号PTX1の駆動パターンは、マスク信号PMASKによって容易に変更することができる。例えば、露光期間中に供給される制御信号PTX1の4つのパルス信号のうち、1つ目のパルスと3つ目のパルスを無効化するようにマスク信号PMASKを構成すれば、図6に示す駆動を実現することができる。
[第6実施形態]
本発明の第6実施形態による撮像システムについて、図11を用いて説明する。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11は、本実施形態による撮像システムの概略構成を示すブロック図である。
本発明の第6実施形態による撮像システムについて、図11を用いて説明する。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11は、本実施形態による撮像システムの概略構成を示すブロック図である。
本実施形態の撮像システム200は、上記第1乃至第5実施形態のいずれかの構成を適用した撮像装置100を含む。撮像システム200の具体例としては、デジタルスチルカメラ、デジタルカムコーダー、監視カメラ等が挙げられる。図11に、上述の各実施形態のいずれかの撮像装置100を適用したデジタルスチルカメラの構成例を示す。
図11に例示した撮像システム200は、撮像装置100、被写体の光学像を撮像装置100に結像させるレンズ202、レンズ202を通過する光量を可変にするための絞り204、レンズ202の保護のためのバリア206を有する。レンズ202及び絞り204は、撮像装置100に光を集光する光学系である。
撮像システム200は、また、撮像装置100から出力される出力信号の処理を行う信号処理部208を有する。信号処理部208は、必要に応じて入力信号に対して各種の補正、圧縮を行って出力する信号処理の動作を行う。例えば、信号処理部208は、入力信号に対して、RGBの画素出力信号をY,Cb,Cr色空間へ変換する変換処理や、ガンマ補正などの所定の画像処理を施す。
撮像システム200は、更に、画像データを一時的に記憶するためのバッファメモリ部210、外部コンピュータ等と通信するための外部インターフェース部(外部I/F部)212を有する。更に撮像システム200は、撮像データの記録又は読み出しを行うための半導体メモリ等の記録媒体214、記録媒体214に記録又は読み出しを行うための記録媒体制御インターフェース部(記録媒体制御I/F部)216を有する。なお、記録媒体214は、撮像システム200に内蔵されていてもよく、着脱可能であってもよい。
更に撮像システム200は、各種演算を行うとともにデジタルスチルカメラ全体を制御する全体制御・演算部218、撮像装置100と信号処理部208に各種タイミング信号を出力するタイミング発生部220を有する。ここで、タイミング信号などは外部から入力されてもよく、撮像システム200は、少なくとも撮像装置100と、撮像装置100から出力された出力信号を処理する信号処理部208とを有すればよい。全体制御・演算部218及びタイミング発生部220は、撮像装置100の制御機能の一部又は全部を実施するように構成してもよい。
撮像装置100は、画像用信号を信号処理部208に出力する。信号処理部208は、撮像装置100から出力される画像用信号に対して所定の信号処理を実施し、画像データを出力する。また、信号処理部208は、画像用信号を用いて、画像を生成する。信号処理部208で生成された画像は、例えば記録媒体214に記録される。また、信号処理部208で生成された画像は、液晶ディスプレイなどからなるモニターに動画或いは静止画として映し出される。記録媒体214に記憶された画像は、プリンタなどによってハードコピーすることができる。
上述した各実施形態の撮像装置を用いて撮像システムを構成することにより、良質の画像を取得しうる撮像システムを実現することができる。
[第7実施形態]
本発明の第7実施形態による撮像システム及び移動体について、図12を用いて説明する。図12は、本実施形態による撮像システム及び移動体の構成を示す図である。
本発明の第7実施形態による撮像システム及び移動体について、図12を用いて説明する。図12は、本実施形態による撮像システム及び移動体の構成を示す図である。
図12(a)は、車載カメラに関する撮像システム300の一例を示したものである。撮像システム300は、撮像装置310を有する。撮像装置310は、上述の各実施形態に記載の撮像装置100のいずれかである。撮像システム300は、撮像装置310により取得された複数の画像データに対し、画像処理を行う画像処理部312と、撮像装置310により取得された複数の画像データから視差(視差画像の位相差)の算出を行う視差取得部314を有する。また、撮像システム300は、算出された視差に基づいて対象物までの距離を算出する距離取得部316と、算出された距離に基づいて衝突可能性があるか否かを判定する衝突判定部318と、を有する。ここで、視差取得部314や距離取得部316は、対象物までの距離情報を取得する距離情報取得手段の一例である。すなわち、距離情報とは、視差、デフォーカス量、対象物までの距離等に関する情報である。衝突判定部318はこれらの距離情報のいずれかを用いて、衝突可能性を判定してもよい。距離情報取得手段は、専用に設計されたハードウェアによって実現されてもよいし、ソフトウェアモジュールによって実現されてもよい。また、FPGA(Field Programmable Gate Array)、ASIC(Application Specific Integrated circuit)等によって実現されてもよいし、これらの組合せによって実現されてもよい。
撮像システム300は、車両情報取得装置320と接続されており、車速、ヨーレート、舵角などの車両情報を取得することができる。また、撮像システム300は、衝突判定部318での判定結果に基づいて、車両に対して制動力を発生させる制御信号を出力する制御装置である制御ECU330が接続されている。すなわち、制御ECU330は、距離情報に基づいて移動体を制御する移動体制御手段の一例である。また、撮像システム300は、衝突判定部318での判定結果に基づいて、ドライバーへ警報を発する警報装置340とも接続されている。例えば、衝突判定部318の判定結果として衝突可能性が高い場合、制御ECU330はブレーキをかける、アクセルを戻す、エンジン出力を抑制するなどして衝突を回避、被害を軽減する車両制御を行う。警報装置340は音等の警報を鳴らす、カーナビゲーションシステムなどの画面に警報情報を表示する、シートベルトやステアリングに振動を与えるなどしてユーザに警告を行う。
本実施形態では、車両の周囲、例えば前方又は後方を撮像システム300で撮像する。図12(b)に、車両前方(撮像範囲350)を撮像する場合の撮像システム300を示した。車両情報取得装置320は、撮像システム300を動作させ撮像を実行させるように指示を送る。上述の各実施形態の撮像装置100を撮像装置310として用いることにより、本実施形態の撮像システム300は、測距の精度をより向上させることができる。
以上の説明では、他の車両と衝突しないように制御する例を述べたが、他の車両に追従して自動運転する制御、車線からはみ出さないように自動運転する制御等にも適用可能である。更に、撮像システムは、自車両等の車両に限らず、例えば、船舶、航空機あるいは産業用ロボットなどの移動体(移動装置)に適用することができる。加えて、移動体に限らず、高度道路交通システム(ITS)等、広く物体認識を利用する機器に適用することができる。
[変形実施形態]
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。
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、いずれかの実施形態の一部の構成を他の実施形態に追加した例や、他の実施形態の一部の構成と置換した例も、本発明の実施形態である。
また、図2に示す画素回路は一例であり、適宜変更が可能である。例えば、各画素12は、必ずしも電荷排出トランジスタM6を有している必要はない。また、各画素12は、複数の光電変換部Dを有していてもよい。この場合、瞳分割方式の焦点検出用画素を構成することも可能である。
また、第6及び第7実施形態に示した撮像システムは、本発明の光検出装置を適用しうる撮像システムを例示したものであり、本発明の光検出装置を適用可能な撮像システムは図11及び図12に示した構成に限定されるものではない。
なお、上記実施形態は、何れも本発明を実施するにあたっての具体化の例を示したものに過ぎず、これらによって本発明の技術的範囲が限定的に解釈されてはならないものである。すなわち、本発明はその技術思想、又はその主要な特徴から逸脱することなく、様々な形で実施することができる。
10…画素アレイ部
12…画素
14…制御線
16…出力線
20…垂直走査回路
30…読み出し回路
40…水平走査回路
50…出力回路
60…制御回路
72…第1の領域(有効画素領域)
74…第2の領域(遮光領域)
100…撮像装置
12…画素
14…制御線
16…出力線
20…垂直走査回路
30…読み出し回路
40…水平走査回路
50…出力回路
60…制御回路
72…第1の領域(有効画素領域)
74…第2の領域(遮光領域)
100…撮像装置
Claims (13)
- 光電変換により電荷を生成する光電変換部と、前記光電変換部で生成された電荷を保持する保持部と、前記光電変換部で生成された電荷に基づく信号を出力する増幅部と、前記光電変換部から前記保持部へ電荷を転送する第1の転送部と、前記保持部から前記増幅部へ電荷を転送する第2の転送部と、をそれぞれが有する第1及び第2の画素と、
1回の露光期間の間に前記第1の画素の前記光電変換部で生成された電荷を、第1の回数の転送動作により前記光電変換部から前記保持部に転送し、1回の露光期間の間に前記第2の画素の前記光電変換部で生成された電荷を、前記第1の回数よりも少ない第2の回数の転送動作により前記光電変換部から前記保持部に転送するように、前記第1及び第2の画素の前記第1の転送部を制御する転送制御部と
を有することを特徴とする撮像装置。 - 前記第1の画素への入射光の光量は、前記第2の画素への入射光の光量よりも多い
ことを特徴とする請求項1記載の撮像装置。 - 前記第1の画素は、有効画素領域に配された画素であり、
前記第2の画素は、遮光領域に配された画素である
ことを特徴とする請求項1又は2記載の撮像装置。 - 撮像した画像または被写体の輝度に基づいて、複数の画素から前記第1の画素と前記第2の画素を選択する選択手段を有する
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2の回数は、2回以上である
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2の画素において1回の転送動作が行われる期間が、前記第1の画素において1回の転送動作が行われる期間よりも長い
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の画素において前記第1の回数で行われる転送動作の合計の期間の長さと、前記第2の画素において前記第2の回数で行われる転送動作の合計の期間の長さとが同じである
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。 - 前記第2の画素において1回の転送動作が行われる期間が、前記第1の画素において1回の転送動作が行われる期間よりも短い
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の画素の露光期間と前記第2の画素の露光期間とが同じである
ことを特徴とする請求項1乃至8のいずれか1項に記載の撮像装置。 - 前記光電変換部の飽和電荷量は、前記保持部の飽和電荷量よりも小さい
ことを特徴とする請求項1乃至9のいずれか1項に記載の撮像装置。 - 請求項1乃至10のいずれか1項に記載の撮像装置と、
前記撮像装置の前記画素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。 - 移動体であって、
請求項1乃至10のいずれか1項に記載の撮像装置と、
前記撮像装置からの信号に基づく視差画像から、対象物までの距離情報を取得する距離情報取得手段と、
前記距離情報に基づいて前記移動体を制御する制御手段と
を有することを特徴とする移動体。 - 光電変換により電荷を生成する光電変換部と、前記光電変換部で生成された電荷を保持する保持部と、前記光電変換部で生成された電荷に基づく信号を出力する増幅部と、前記光電変換部から前記保持部へ電荷を転送する第1の転送部と、前記保持部から前記増幅部へ電荷を転送する第2の転送部と、をそれぞれが有する第1及び第2の画素を有する撮像装置の駆動方法であって、
1回の露光期間の間に前記第1の画素の前記光電変換部で生成された電荷を、第1の回数の転送動作により前記光電変換部から前記保持部に転送し、
1回の露光期間の間に前記第2の画素の前記光電変換部で生成された電荷を、前記第1の回数よりも少ない第2の回数の転送動作により前記光電変換部から前記保持部に転送する
ことを特徴とする撮像装置の駆動方法。
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RD04 | Notification of resignation of power of attorney |
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