JP2022109556A - Imaging device and imaging method - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、非破壊読み出しが可能な撮像装置および撮像方法に関する。 The present invention relates to an imaging apparatus and an imaging method capable of nondestructive readout.
一般的に、撮像装置の画素信号の読み出しは、破壊読み出しで行われる。破壊読み出しは、画素に蓄積された信号電荷を空にするリセット動作を伴う。一方で、画素に蓄積された信号電荷をリセットせず、露光状態のまま信号電荷を読み出す、非破壊読み出しが知られている。非破壊読み出しを行うことで、露光中の画素情報を得ることができる。特許文献1には、非破壊読み出しを行うことで、高ダイナミックレンジ化を実現する撮像装置が開示されている。 In general, readout of pixel signals of an imaging device is performed by destructive readout. Destructive readout involves a reset operation that empties the signal charge stored in the pixels. On the other hand, non-destructive readout is known in which signal charges accumulated in pixels are not reset and are read out in an exposed state. Pixel information during exposure can be obtained by performing non-destructive readout. Japanese Patent Application Laid-Open No. 2002-200001 discloses an imaging device that achieves a high dynamic range by performing non-destructive readout.
非破壊読み出しを利用した新規な撮像装置および撮像方法を提供する。 A novel imaging device and imaging method using non-destructive readout are provided.
上記課題を解決するために本開示の一態様に係る撮像装置は、非破壊読み出しが可能な複数の画素と、電圧供給回路と、を備え、前記複数の画素のそれぞれは、第1電極、第2電極、および、前記第1電極と前記第2電極との間に位置し、光電変換により信号電荷を生成する光電変換層を含む光電変換部と、前記第2電極に電気的に接続され、前記信号電荷を蓄積する電荷蓄積部と、を含み、前記信号電荷が生成され蓄積される期間である蓄積期間は、第1期間および第2期間を含み、前記電圧供給回路は、前記第1期間に第1電圧を前記第1電極に供給し、前記第2期間に前記第1電圧と異なる第2電圧を前記第1電極に供給し、前記複数の画素のうち少なくとも一部の画素は、前記電荷蓄積部に蓄積された前記信号電荷の量に対応する信号を、前記第1期間に非破壊で順次に出力し、前記複数の画素は、前記電荷蓄積部に蓄積された前記信号電荷の量に対応する信号を、前記蓄積期間後の非蓄積期間に順次に出力する。 In order to solve the above problems, an imaging device according to one aspect of the present disclosure includes a plurality of pixels capable of nondestructive readout and a voltage supply circuit, and each of the plurality of pixels includes a first electrode, a a photoelectric conversion portion including two electrodes and a photoelectric conversion layer that is positioned between the first electrode and the second electrode and generates a signal charge by photoelectric conversion; and electrically connected to the second electrode, a charge accumulating portion for accumulating the signal charge; an accumulation period, which is a period during which the signal charge is generated and accumulated, includes a first period and a second period; a first voltage is supplied to the first electrode during the second period, and a second voltage different from the first voltage is supplied to the first electrode during the second period; A signal corresponding to the amount of the signal charge accumulated in the charge accumulation section is sequentially output in the first period in a non-destructive manner, and the plurality of pixels are configured to output the amount of the signal charge accumulated in the charge accumulation section. are sequentially output during the non-accumulation period following the accumulation period.
本開示によれば、非破壊読み出しを利用した新規な撮像装置および撮像方法を提供できる。 According to the present disclosure, it is possible to provide a novel imaging device and imaging method using nondestructive readout.
まず、本開示の概要について説明する。 First, an outline of the present disclosure will be described.
本開示の一態様に係る撮像装置は、非破壊読み出しが可能な複数の画素と、電圧供給回路と、を備え、前記複数の画素のそれぞれは、第1電極、第2電極、および、前記第1電極と前記第2電極との間に位置し、光電変換により信号電荷を生成する光電変換層を含む光電変換部と、前記第2電極に電気的に接続され、前記信号電荷を蓄積する電荷蓄積部と、を含み、前記信号電荷が生成され蓄積される期間である蓄積期間は、第1期間および第2期間を含み、前記電圧供給回路は、前記第1期間に第1電圧を前記第1電極に供給し、前記第2期間に前記第1電圧と異なる第2電圧を前記第1電極に供給し、前記複数の画素のうち少なくとも一部の画素は、前記電荷蓄積部に蓄積された前記信号電荷の量に対応する信号を、前記第1期間に非破壊で順次に出力し、前記複数の画素は、前記電荷蓄積部に蓄積された前記信号電荷の量に対応する信号を、前記蓄積期間後の非蓄積期間に順次に出力する。 An imaging device according to an aspect of the present disclosure includes a plurality of pixels capable of nondestructive readout and a voltage supply circuit, and each of the plurality of pixels includes a first electrode, a second electrode, and the first electrode. a photoelectric conversion portion located between one electrode and the second electrode and including a photoelectric conversion layer that generates signal charges by photoelectric conversion; and a charge that is electrically connected to the second electrode and accumulates the signal charges. an accumulating portion, and an accumulating period, which is a period in which the signal charge is generated and accumulated, includes a first period and a second period, and the voltage supply circuit applies a first voltage during the first period. a second voltage different from the first voltage is supplied to the first electrode during the second period, and at least some of the plurality of pixels are accumulated in the charge accumulation unit; A signal corresponding to the amount of the signal charge is sequentially output during the first period in a non-destructive manner, and the plurality of pixels output the signal corresponding to the amount of the signal charge accumulated in the charge accumulation unit. They are sequentially output during the non-accumulation period after the accumulation period.
これによれば、例えば、第1期間と第2期間とで画素の感度を異ならせることができる。本明細書において画素の感度とは、光電変換部の光電変換効率を意味し、複数の波長に対する感度、すなわち分光感度を含む概念である。 According to this, for example, the sensitivity of the pixel can be made different between the first period and the second period. In this specification, the sensitivity of a pixel means the photoelectric conversion efficiency of a photoelectric conversion unit, and is a concept including sensitivity to a plurality of wavelengths, that is, spectral sensitivity.
第1期間に非破壊で読み出された信号に基づく第1画像は、信号電荷を蓄積するための露光時間が短いため、非蓄積期間に読み出された信号に基づく第2画像と比べて、高輝度な被写体であっても飽和し難い。さらに、第1期間における画素の感度と第2期間における画素の感度とを互いに異ならせることにより、蓄積期間における画素の感度を一定とした場合に比べて、第1画像と第2画像との感度差をより大きくすることもできる。よって、例えば、第1画像と第2画像とを合成することにより、蓄積期間における画素の感度を一定とした場合に比べて、ダイナミックレンジをより拡大した画像を得ることができる。 Compared to the second image based on the signal read out during the non-accumulation period, the first image based on the signal read out non-destructively during the first period has a short exposure time for accumulating the signal charges. It is difficult to saturate even a high-brightness subject. Further, by making the sensitivity of the pixels in the first period and the sensitivity of the pixels in the second period different from each other, the sensitivity of the first image and the sensitivity of the second image can be improved compared to the case where the sensitivity of the pixels in the accumulation period is constant. You can also make the difference larger. Therefore, for example, by synthesizing the first image and the second image, it is possible to obtain an image with a wider dynamic range than when the sensitivity of the pixels is constant during the accumulation period.
また、蓄積期間における画素の感度を一定とした場合に比べて、第1画像と第2画像との感度差をより小さくすることもできる。これにより、被写体に応じて、第1画像と第2画像との感度差を広い範囲で調整することができる。 In addition, the difference in sensitivity between the first image and the second image can be made smaller than when the sensitivity of the pixels is constant during the accumulation period. Thereby, the sensitivity difference between the first image and the second image can be adjusted in a wide range according to the subject.
また、例えば、バイアス電圧によって光電変換部の分光感度特性が変化する場合、撮像された光の波長範囲が互いに異なる複数の画像を得ることができる。 Further, for example, when the spectral sensitivity characteristic of the photoelectric conversion unit changes depending on the bias voltage, it is possible to obtain a plurality of images having different wavelength ranges of the captured light.
例えば、前記第1期間は、前記第2期間よりも前であってもよい。 For example, the first period may precede the second period.
これによれば、非破壊で読み出される時点において蓄積されている信号電荷は、第2期間に生成され蓄積される信号電荷を含まない。よって、例えば、光電変換層への入射光が第2期間において飽和するほどの強度であっても、飽和する前の画像を非破壊読み出しによって得ることができる。 According to this, the signal charges accumulated at the time of non-destructive readout do not include the signal charges generated and accumulated during the second period. Therefore, for example, even if the intensity of light incident on the photoelectric conversion layer is such that it is saturated in the second period, an image before saturation can be obtained by nondestructive readout.
例えば、前記第1期間は、前記第2期間よりも後であってもよい。 For example, the first period may be later than the second period.
これによれば、非破壊で読み出される時点において蓄積された信号電荷は、第2期間に生成され蓄積された信号電荷の全てを含む。よって、非破壊読み出しによる画像は、第2期間の全てを露光時間とする画像情報を含むことができる。 According to this, the signal charges accumulated at the time of non-destructive readout include all the signal charges generated and accumulated during the second period. Therefore, an image obtained by nondestructive readout can include image information whose exposure time is the entire second period.
例えば、前記複数の画素のうちの少なくとも一部の画素は、前記電荷蓄積部に蓄積された前記信号電荷の量に対応する信号を、前記第2期間に非破壊で順次に出力してもよい。 For example, at least some of the plurality of pixels may sequentially output a signal corresponding to the amount of the signal charge accumulated in the charge accumulation section during the second period in a non-destructive manner. .
これによれば、第1期間の非破壊読み出しによる第1画像に加えて、第2期間の非破壊読み出しによる第3画像も得ることができる。第3画像の露光量は、第1画像の露光量よりも多く、第2画像の露光量よりも少ない。一般的に、画像合成によってダイナミックレンジを拡大する場合には、互いに露光量が異なる複数の画像を用いる。第1画像および第2画像に加え第3画像を得ることにより、各被写体の光量に応じて十分な信号量を確保することができるため、合成画像の画質を向上できる。 According to this, in addition to the first image obtained by the nondestructive readout during the first period, the third image obtained by the nondestructive readout during the second period can also be obtained. The exposure amount of the third image is greater than the exposure amount of the first image and less than the exposure amount of the second image. In general, when expanding the dynamic range by combining images, a plurality of images with different exposure amounts are used. By obtaining the third image in addition to the first and second images, a sufficient amount of signal can be secured according to the amount of light of each subject, so that the image quality of the synthesized image can be improved.
例えば、前記第1電圧は、前記第2電圧よりも小さくてもよい。 For example, the first voltage may be less than the second voltage.
これによれば、信号電荷が正孔である場合、例えば、第1期間における画素の感度を、第2期間における画素の感度よりも低くすることができる。また、信号電荷が電子である場合、例えば、第1期間における画素の感度を、第2期間における画素の感度よりも高くすることができる。 According to this, when the signal charge is a hole, for example, the sensitivity of the pixel in the first period can be made lower than the sensitivity of the pixel in the second period. Further, when the signal charges are electrons, for example, the sensitivity of the pixels in the first period can be made higher than the sensitivity of the pixels in the second period.
例えば、前記第1電圧は、前記第2電圧よりも大きくてもよい。 For example, the first voltage may be greater than the second voltage.
これによれば、信号電荷が正孔である場合、例えば、第1期間における画素の感度を、第2期間における画素の感度よりも高くすることができる。また、信号電荷が電子である場合、例えば、第1期間における画素の感度を、第2期間における画素の感度よりも低くすることができる。 According to this, when the signal charge is a hole, for example, the sensitivity of the pixel in the first period can be made higher than the sensitivity of the pixel in the second period. Further, when the signal charges are electrons, for example, the sensitivity of the pixel in the first period can be made lower than the sensitivity of the pixel in the second period.
例えば、前記蓄積期間は、第3期間をさらに含み、前記電圧供給回路は、前記第3期間に、前記第1電圧および前記第2電圧と異なる第3電圧を前記第1電極に供給してもよい。 For example, the accumulation period may further include a third period, and the voltage supply circuit may supply a third voltage different from the first voltage and the second voltage to the first electrode during the third period. good.
これによれば、第1期間と第2期間と第3期間とで画素の感度を異ならせることができる。また、例えば、第2期間および第3期間の少なくとも一方の期間において非破壊で信号読み出しを行う場合には、画像合成に用いる画像の数を増やすことができる。これにより画像合成に使用する各画像の露光量をさらに細かく制御できる。また、バイアス電圧によって光電変換部の分光感度特性が変化する場合には、撮像された光の波長範囲が互いに異なる画像をさらに多く得ることができる。その結果、撮像される光の波長範囲をさらに細かく制御できる。 According to this, the sensitivity of the pixel can be made different in the first period, the second period, and the third period. Further, for example, when nondestructive signal readout is performed in at least one of the second period and the third period, the number of images used for image synthesis can be increased. This makes it possible to more finely control the exposure amount of each image used for image synthesis. Further, when the spectral sensitivity characteristic of the photoelectric conversion unit changes depending on the bias voltage, it is possible to obtain more images in which the wavelength ranges of the captured light are different from each other. As a result, the wavelength range of the imaged light can be more finely controlled.
例えば、前記撮像装置は信号処理部をさらに備え、前記複数の画素は、行列状に配置されており、前記信号処理部は、前記第1期間に非破壊で出力された前記信号に対して、対応する画素が属する行に応じた係数を乗算する処理を行ってもよい。 For example, the imaging device further includes a signal processing unit, the plurality of pixels are arranged in a matrix, and the signal processing unit processes the signal output non-destructively during the first period, A process of multiplying a coefficient according to the row to which the corresponding pixel belongs may be performed.
非破壊読み出しが行単位で順次に行われる場合、露光の開始は全画素で同時であるのに対して読み出しタイミングは各画素が属する行によって異なる。そのため、露光時間の長さは、各画素が属する行によって異なる。そこで、得られた信号に対して各画素が属する行に応じた係数を乗算することにより、全画素について露光時間の長さが同じになるように補正することができる。 When non-destructive readout is sequentially performed on a row-by-row basis, exposure is started simultaneously for all pixels, whereas the readout timing differs depending on the row to which each pixel belongs. Therefore, the length of exposure time differs depending on the row to which each pixel belongs. Therefore, by multiplying the obtained signal by a coefficient corresponding to the row to which each pixel belongs, correction can be made so that the length of exposure time is the same for all pixels.
例えば、前記複数の画素のうち少なくとも一部の画素は、前記電荷蓄積部に蓄積された前記信号電荷の量に対応する信号を非破壊で順次に出力する動作を、前記第1期間に少なくとも2回行ってもよい。 For example, at least some of the plurality of pixels perform an operation of sequentially outputting a signal corresponding to the amount of the signal charge accumulated in the charge accumulation portion in a non-destructive manner at least twice during the first period. You can go back and forth.
これによれば、非破壊読み出しにより、露光時間の長さが互いに異なる2つの画像を得ることができる。また、得られた2つの画像の差分を取ることにより、全画素において露光時間の長さが揃った画像を得ることができる。さらに、得られた2つの画像の差分を取ることにより、ノイズを低減できる。 According to this, two images having different lengths of exposure time can be obtained by non-destructive readout. Further, by obtaining the difference between the two obtained images, it is possible to obtain an image in which the length of the exposure time is the same for all pixels. Furthermore, noise can be reduced by taking the difference between the two images obtained.
例えば、前記複数の画素のうちの一部の画素のみが、前記電荷蓄積部に蓄積された前記信号電荷の量に対応する信号を、前記第1期間に非破壊で順次に出力してもよい。 For example, only some pixels among the plurality of pixels may sequentially output a signal corresponding to the amount of the signal charge accumulated in the charge accumulation unit during the first period in a non-destructive manner. .
これによれば、非破壊読み出しに要する時間を短縮できる。 According to this, the time required for non-destructive reading can be shortened.
本開示の一態様に係る撮像方法は、光電変換により信号電荷を生成する光電変換部と、前記信号電荷を蓄積する電荷蓄積部とをそれぞれが含む複数の画素を用いた撮像方法であって、前記信号電荷が生成され蓄積される期間である蓄積期間は、第1期間および第2期間を含み、前記第1期間における前記複数の画素の感度を第1感度に設定し、前記第2期間における前記複数の画素の感度を前記第1感度と異なる第2感度に設定し、前記第1期間において、前記複数の画素のうちの少なくとも一部の画素から、前記電荷蓄積部に蓄積された前記信号電荷の量に対応する信号を非破壊で順次に読み出し、前記蓄積期間の後の非蓄積期間において、前記複数の画素から、前記電荷蓄積部に蓄積された信号電荷の量に対応する信号を順次に読み出す。 An imaging method according to an aspect of the present disclosure is an imaging method using a plurality of pixels each including a photoelectric conversion unit that generates signal charges by photoelectric conversion and a charge accumulation unit that accumulates the signal charges, An accumulation period, which is a period in which the signal charges are generated and accumulated, includes a first period and a second period, the sensitivities of the plurality of pixels in the first period are set to the first sensitivity, and the sensitivities in the second period are setting the sensitivities of the plurality of pixels to a second sensitivity different from the first sensitivity, and the signal accumulated in the charge accumulation unit from at least some of the plurality of pixels in the first period; A signal corresponding to the amount of charge is sequentially read in a non-destructive manner, and in a non-accumulation period after the accumulation period, signals corresponding to the amount of signal charge accumulated in the charge accumulation section are sequentially read out from the plurality of pixels. read out to
これによれば、第1感度で撮像された被写体像を含む第1画像と、第1感度で撮像された被写体像および第2感度で撮像された被写体像の両方を含む第2画像とを、1フレーム期間で得ることができる。また、蓄積期間における画素の感度を一定とした場合に比べて、第1画像と第2画像との感度差をより大きくすることもできる。よって、例えば、第1画像と第2画像とを合成することにより、蓄積期間における画素の感度を一定とした場合に比べて、ダイナミックレンジをより拡大した画像を得ることができる。 According to this, the first image including the subject image captured with the first sensitivity and the second image including both the subject image captured with the first sensitivity and the subject image captured with the second sensitivity are It can be obtained in one frame period. Moreover, compared to the case where the sensitivity of the pixels is constant during the accumulation period, the difference in sensitivity between the first image and the second image can be made larger. Therefore, for example, by synthesizing the first image and the second image, it is possible to obtain an image with a wider dynamic range than when the sensitivity of the pixels is constant during the accumulation period.
また、第1感度に対応する波長範囲と、第2感度に対応する波長範囲とが異なる場合には、撮像された光の波長範囲が互いに異なる複数の画像を得ることができる。 Moreover, when the wavelength range corresponding to the first sensitivity and the wavelength range corresponding to the second sensitivity are different, it is possible to obtain a plurality of images in which the wavelength ranges of the captured light are different from each other.
以下、図面を参照しながら、本開示の実施形態を詳細に説明する。なお、以下で説明する実施形態は、いずれも包括的または具体的な例を示す。以下の実施形態で示される数値、形状、材料、構成要素、構成要素の配置および接続形態、処理内容、処理の順序などは、一例であり、本開示を限定する主旨ではない。本明細書において説明される種々の態様は、矛盾が生じない限り互いに組み合わせることが可能である。また、以下の実施形態における構成要素のうち、最上位概念を示す独立請求項に記載されていない構成要素については、任意の構成要素として説明される。以下の説明において、実質的に同じ機能を有する構成要素は共通の参照符号で示し、説明を省略することがある。 Hereinafter, embodiments of the present disclosure will be described in detail with reference to the drawings. It should be noted that the embodiments described below are all comprehensive or specific examples. Numerical values, shapes, materials, components, arrangement and connection forms of components, processing details, processing order, and the like shown in the following embodiments are examples, and are not intended to limit the present disclosure. The various aspects described herein are combinable with each other unless inconsistent. In addition, among the constituent elements in the following embodiments, constituent elements that are not described in independent claims representing the highest concept will be described as optional constituent elements. In the following description, constituent elements having substantially the same functions are denoted by common reference numerals, and their description may be omitted.
また、各図は、模式図であり、必ずしも厳密に図示されたものではない。したがって、例えば、各図において縮尺などは必ずしも一致しない。 Each figure is a schematic diagram and is not necessarily strictly illustrated. Therefore, for example, scales and the like do not necessarily match in each drawing.
(第1の実施形態)
[撮像装置の構成]
図1は、本実施形態に係る撮像装置を含むカメラシステムの構成例を示すブロック図である。図1において、カメラシステム10は、光学系60と、撮像装置20と、信号処理部30と、システムコントローラ40と、表示部50とを備えている。
(First embodiment)
[Configuration of imaging device]
FIG. 1 is a block diagram showing a configuration example of a camera system including an imaging device according to this embodiment. In FIG. 1 , the
光学系60は、レンズ群を有し、カメラシステム10の外部から入力される光を、撮像装置20に集光する。レンズ群は、フォーカスレンズを含んでいてもよい。フォーカスレンズは、外部から入力される光の光軸方向に移動することで、撮像装置20における被写体像の合焦位置を調整してもよい。
The
撮像装置20は、光学系60を介して入射される光を受光し、画素信号を出力する。撮像装置20は、例えば、CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor)型イメージセンサであってもよい。撮像装置20の詳細は後述する。
The
信号処理部30は、撮像装置20から入力される信号を処理する。信号処理部30は、例えばガンマ補正、色補間処理、空間補間処理、オートホワイトバランス、距離計測演算及び波長情報分離などの処理を行う。信号処理部30は、例えばDSP(Digital Signal Processor)などによって実現され得る。
The
システムコントローラ40は、カメラシステム10全体を制御する。システムコントローラ40は、例えば、マイクロコンピュータによって実現され得る。
A
表示部50は、信号処理部30により生成された画像を表示する。表示部50は、例えば液晶ディスプレイまたは有機ELディスプレイである。表示部50は、タッチパネルのような入力インタフェースを備えていてもよい。これにより、ユーザは、タッチペンを用いて、信号処理部30の処理内容の選択、制御および撮像条件を、入力インタフェースを介して設定できる。
The
図2は、第1の実施形態に係る撮像装置20の構成例を示すブロック図である。同図では撮像装置20がCMOS型イメージセンサである場合における、撮像装置20の回路構成例を示す。図2に示されるように、撮像装置20は、複数の画素101と、垂直走査回路102と、水平走査回路103と、電流源104と、AD変換回路105と、電圧供給回路111とを含む。
FIG. 2 is a block diagram showing a configuration example of the
複数の画素101は、行列状に配列される。複数の画素101のそれぞれは、入射光に応じた信号電荷を生成し、信号電荷の量に応じた画素信号を出力する。
A plurality of
垂直走査回路102は、行毎に設けられた水平信号線107を介して、複数の画素101を行単位で走査および駆動する。図2では、図を見易くするため、水平信号線107として行毎に1本のみを図示している。しかし、後述するように、例えば、画素101の選択トランジスタ24およびリセットトランジスタ25を制御するため、行毎に複数の水平信号線107を含み得る。
The
複数の画素101から出力された画素信号は、列毎に設けられた垂直信号線108およびAD変換回路105を介して水平走査回路103に入力される。水平走査回路103は、入力された信号を出力信号線109に順次に出力する。
Pixel signals output from the plurality of
電流源104は、列毎に設けられ、画素101内の増幅トランジスタと共にソースフォロワ回路を構成する。
A
AD変換回路105は、垂直信号線108毎に設けられ、垂直信号線108から入力されるアナログの画素信号をデジタル信号に変換する。AD変換回路105は、相関二重サンプリングに代表される雑音抑圧信号処理を行う回路を含んでいてもよい。
The
電圧供給回路111は、複数の画素101に複数の異なる電圧を供給する。画素101に供給する電圧を変化させることにより、画素101の感度を変化させることができる。各画素101は、電源線106に接続されている。各画素101には、電源線106を介して電源電圧VDDが供給される。
The
なお、本実施形態に係る撮像装置20は、AD変換回路105を設けずに、各画素101から出力された画素信号をアナログ信号のまま水平走査回路103から出力するように構成してもよい。また、水平走査回路103は、各画素101からの信号を加算または減算するための回路を備え、演算結果を出力信号線109に出力するようにしてもよい。
Note that the
図3は、図2中の画素101の構成例を示す回路図である。図3に示されるように、画素101は、光電変換部21と、フローティングディフュージョン(以下、「FD」と呼ぶ。)22と、増幅トランジスタ23と、選択トランジスタ24と、リセットトランジスタ25とを含む。光電変換部21は、入射光を信号電荷に変換する。FD22は、光電変換部21で生成された信号電荷を蓄積する。FD22は、電荷蓄積部の一例である。
FIG. 3 is a circuit diagram showing a configuration example of the
増幅トランジスタ23は、FD22に接続されたゲートと、電源線106に接続され電源電圧VDDが供給されるドレインと、選択トランジスタ24のドレインに接続されたソースとを有する。これにより、増幅トランジスタ23は、選択トランジスタ24が導通状態であるときに、図1に示した電流源104と共にソースフォロワ回路を形成する。このとき、増幅トランジスタ23のソースは、FD22に蓄積された信号電荷の量に応じた信号を、選択トランジスタ24を介して垂直信号線108に出力する。
The
選択トランジスタ24は、増幅トランジスタ213のソースに接続されたドレインと、垂直信号線108に接続されたソースと、水平信号線107のうちの選択制御信号線に接続されるゲートとを有する。選択トランジスタ24のゲートには、選択制御信号線から選択制御信号Vselが供給される。選択トランジスタ24は、選択制御信号Vselがハイレベルのとき導通状態になり、増幅トランジスタ23からの画素信号を垂直信号線108に出力する。また、選択トランジスタ24は、選択制御信号Vselがローレベルのとき非導通状態になり、増幅トランジスタ23と垂直信号線108とを絶縁する。
The
リセットトランジスタ25は、リセット電圧VRが供給されるドレインと、FD22に接続されたソースと、水平信号線107のうちのリセット制御信号線に接続されるゲートを有する。リセットトランジスタ25のゲートには、リセット制御信号線からリセット制御信号Vrstが供給される。リセットトランジスタ25は、リセット制御信号Vrstがハイレベルのとき導通状態になり、FD22の電位をリセット電圧VRにリセットする。
The
画素101は、リセット動作を伴わずに非破壊的に画素信号を出力する。すなわち、画素101は、蓄積期間の途中で、蓄積された信号電荷をリセットすることなく、その時点で蓄積されている信号電荷の量に対応する画素信号を出力する。このような、リセット動作を伴わない読み出し動作は、非破壊読み出しと呼ばれる。非破壊読み出しは、1フレーム期間内に複数回行うこともできる。蓄積期間が経過した後、画素101は、蓄積期間の全期間で蓄積された信号電荷の量に対応する画素信号を出力する。その後、蓄積された信号電荷はリセット電圧VRにリセットされ、画素101は、リセット電圧VRに対応する信号を出力する。このような、リセット動作を伴う読み出し動作は、破壊読み出しと呼ばれる。本明細書において、蓄積期間とは、信号電荷が光電変換部21で生成され電荷蓄積部に蓄積される期間を意味する。これに対して、非蓄積期間とは、実質的に、信号電荷が新たに電荷蓄積部に蓄積されない期間を意味する。典型的には、非蓄積期間において、画素101の感度は実質的にゼロに設定される。
The
図4は、図3中の光電変換部21及びFD22の構造を模式的に示す断面図である。図4に示されるように、半導体基板101D上に、絶縁層101Fと光電変換部21とが積層されている。
FIG. 4 is a cross-sectional view schematically showing the structures of the
光電変換部21は、対向電極101Aと、画素電極101Bと、対向電極101Aと画素電極101Bとの間に位置する光電変換層101Cとを含む。
The
対向電極101Aは、複数の画素101に跨がって形成されていてもよい。対向電極101Aは、例えば、ITO(Indium Tin Oxide)などの透明導電性酸化物(TCO:Transparent Conducting Oxide)を用いて形成される。
The
画素電極101Bは、光電変換層101Cで生成された信号電荷を収集する。画素電極101Bは、絶縁層101F内のコンタクトプラグ101Eを介して、半導体基板101D内に設けられたFD22に接続される。
The pixel electrode 101B collects signal charges generated in the photoelectric conversion layer 101C. The pixel electrode 101B is connected to the
光電変換層101Cは、入射する光を受けて正孔-電子対を発生させる。光電変換層101Cの材料としては、例えば、半導体性の無機材料、または、半導体性の有機材料などが用いられる。光電変換層101Cは、例えば、有機光電変換膜である。対向電極101Aと画素電極101Bとの間に電圧が印加され電界がかかった状態において、光電変換層101C内で発生した正孔および電子の一方が、画素電極101Bによって集められ、電荷蓄積部FDに蓄積される。
The photoelectric conversion layer 101C receives incident light and generates hole-electron pairs. As a material of the photoelectric conversion layer 101C, for example, a semiconducting inorganic material or a semiconducting organic material is used. The photoelectric conversion layer 101C is, for example, an organic photoelectric conversion film. In a state where a voltage is applied between the
対向電極101Aは、電圧供給回路111に電気的に接続される。電圧供給回路111は、半導体基板111D上に設けられる。電圧供給回路111は、半導体基板101Dとは別の基板に設けられてもよい。電圧供給回路111は、制御信号に基づいて、対向電極101Aに感度調整電圧VITOを印加する。
The
FD22は、例えば不純物を含む拡散層であり、画素電極101Bで収集された信号電荷を蓄積する。
The
対向電極101Aに印加する感度調整電圧VITOを変化させることにより、光電変換部21の感度を変化させることができる。例えば、信号電荷を正孔としたとき、画素電極101Bの電圧を基準として、感度調整電圧VITOを比較的高い正電圧とすることにより感度を高くできる。また、画素電極101Bの電位を基準として、感度調整電圧VITOを比較的低い正電圧とすることにより感度を低くできる。さらに、感度調整電圧VITOを所定の閾値よりも低い電圧とすることにより、光電変換部21の感度を実質的にゼロとすることができる。以下、この閾値のことを露光閾値と呼ぶ。
By changing the sensitivity adjustment voltage VITO applied to the
感度調整電圧VITOを、露光閾値よりも大きい電圧と小さい電圧との間で切り替えることにより、蓄積期間を自由に設定することができる。これにより、撮像装置20は、全画素で同時に露光を開始および終了するグローバルシャッタ機能を実現できる。グローバルシャッタ機能については、例えば、特許第6202512号公報に開示されている。特許第6202512号公報を本願明細書に援用する。
By switching the sensitivity adjustment voltage VITO between a voltage higher than the exposure threshold and a voltage lower than the exposure threshold, the accumulation period can be freely set. Thereby, the
本実施形態において、対向電極101Aは、第1電極を例示する。画素電極101Bは、第2電極を例示する。
In this embodiment, the
再び図3に戻って、画素101の説明を続ける。リセット制御信号Vrstによってリセットトランジスタ25をオン状態とすることにより、FD22の電位は、リセット電位VRにリセットされる。増幅トランジスタ23は、FD22に蓄積された電荷の量に対応する信号を出力する。選択制御信号Vselによって選択トランジスタ24のオン状態とオフ状態とを切り替えることにより、増幅トランジスタ23から出力された信号を、垂直信号線108へ出力するか否かが選択される。
Returning to FIG. 3 again, the description of the
画素101は、リセットトランジスタ25をオン状態にしない限り、電荷蓄積部に蓄積された信号電荷の量に対応する信号を、非破壊で繰り返し出力することができる。
As long as the
以下、撮像装置20が行う撮像動作の詳細について説明する。
Details of the imaging operation performed by the
[撮像装置の第1の撮像動作例]
図5は、第1の撮像動作例を示すタイミングチャートである。図5において、上から順に、垂直同期信号VDのタイミング、感度調整電圧VITOの時間的変化、および、行列状に配置された複数の画素101の各行における信号読み出しのタイミングを示している。複数の画素101は、第1行目から第n行目までn行配置されているとしている。感度調整電圧VITOは、対向電極101Aに印加される電圧である。実線R0は、通常の信号読み出しが行われる行を模式的に示している。破線R1は、非破壊で信号読み出しが行われる行を模式的に示している。図5を用いて第1の撮像動作例を以下に説明する。
[First example of imaging operation of imaging device]
FIG. 5 is a timing chart showing a first imaging operation example. FIG. 5 shows, from top to bottom, the timing of the vertical synchronization signal VD, the temporal change of the sensitivity adjustment voltage VITO, and the timing of signal readout in each row of the plurality of
まず、時刻t0において、感度調整電圧VITOがV0からV1に切り替わる。これにより、蓄積期間Teが開始される。蓄積期間Teは、第1期間Te1と第2期間Te2とを含む。第1期間Te1において、感度調整電圧VITOはV1であり、複数の画素101の感度は第1感度に設定される。すなわち、第1期間Te1において、複数の画素101は、第1感度で信号電荷を生成し蓄積する。
First, at time t0, the sensitivity adjustment voltage VITO switches from V0 to V1. Thereby, the accumulation period Te is started. The accumulation period Te includes a first period Te1 and a second period Te2. In the first period Te1, the sensitivity adjustment voltage VITO is V1, and the sensitivities of the plurality of
次に、時刻t1において、複数の画素101に対して、行毎に順次に非破壊で信号読み出しが開始される。このとき、複数の画素101が出力する信号は、時刻t0から信号読み出しが行われる時点までに電荷蓄積部に蓄積された信号電荷の量に対応する信号である。
Next, at time t1, non-destructive signal readout is sequentially started for the plurality of
次に、時刻t2において、感度調整電圧VITOがV1からV2に切り替わる。ここで、V2はV1よりも高い電圧である。そのため、第2期間Te2における複数の画素101の感度は、第1期間Te1における感度よりも高い。したがって、第2期間Teにおいて、複数の画素101は、第1期間Te1の第1感度よりも高い第2感度で信号電荷を生成し蓄積する。
Next, at time t2, the sensitivity adjustment voltage VITO switches from V1 to V2. Here, V2 is a voltage higher than V1. Therefore, the sensitivity of the plurality of
次に、時刻t3において、感度調整電圧VITOがV2からV0に切り替わる。これにより、蓄積期間Teが終了し、非蓄積期間Trが開始される。ここで、V0はV1よりも低い電圧であり、例えば0Vである。これにより、非蓄積期間Trにおいて、複数の画素101の感度は実質的にゼロに設定される。なお、非蓄積期間Trにおいて実質的に信号電荷が生成および蓄積されないようであれば、他の形態も取り得る。例えば、機械シャッタを別に設け、非蓄積期間Trに同期させて機械シャッタを閉じるようにしてもよい。
Next, at time t3, the sensitivity adjustment voltage VITO switches from V2 to V0. As a result, the accumulation period Te ends and the non-accumulation period Tr starts. Here, V0 is a voltage lower than V1, for example 0V. As a result, the sensitivities of the plurality of
次に、垂直同期信号VDが立ち上がる時刻t4において、複数の画素101に対して、第1行目から第n行目まで行毎に順次に信号読み出しが開始される。ここでの信号読み出しは破壊読み出しである。但し、非破壊読み出しであってもよい。
Next, at time t4 when the vertical synchronizing signal VD rises, signal readout is sequentially started for each row from the first row to the n-th row for the plurality of
次に、時刻t5において、感度調整電圧VITOがV0から再びV1に切り替わり、次の蓄積期間Teが開始される。以降は、上記した動作が繰り返される。 Next, at time t5, the sensitivity adjustment voltage VITO switches from V0 to V1 again, and the next accumulation period Te starts. After that, the above operation is repeated.
なお、上記した撮像動作例では、信号読み出しの動作において、行毎に順次に読み出すとした。しかし、各列に垂直信号線108を複数設け、複数行毎に順次に読み出すようにしてもよい。これにより、信号読み出しを高速に行うことができる。あるいは、複数行または複数列の画素101から同時にまとめて信号を読み出してもよい。このような読み出し方は画素合成とも呼ばれる。
It should be noted that in the above-described example of the imaging operation, in the signal readout operation, the signals are read out sequentially for each row. However, a plurality of
また、上記した撮像動作例では、非破壊による信号読み出しは蓄積期間Te中に行われる。そのため、蓄積期間Teが開始される時刻t0から、非破壊による信号読み出しが行われる時刻までの期間の長さ(すなわち、露光時間)は、画素101が属する行によって異なる。そこで、行毎の露光時間の差を補正するために、得られた信号に対して、画素101が属する行に応じた補正係数を乗算してもよい。具体的には、例えば、各行の露光時間の逆数を乗算するようにしてもよい。
Further, in the above-described imaging operation example, non-destructive signal readout is performed during the accumulation period Te. Therefore, the length of the period (that is, the exposure time) from the time t0 at which the accumulation period Te starts to the time at which the non-destructive signal readout is performed differs depending on the row to which the
また、上記した撮像動作例において、非破壊での信号読み出しは、複数の画素101のうち少なくとも一部の画素101に対してのみ行うようにしてもよい。例えば、偶数行の画素101に対して順次に非破壊で信号読み出しを行い、奇数行の画素101に対しては信号読み出しを行わないようにしてもよい。また、RGBの各色を撮像するための画像101がベイヤ配列されている場合には、例えば、上から偶数番目の単位画素群に対応する行の画素101に対して順次に非破壊で信号読み出しを行い、上から奇数番目の単位画素群に対応する行の画素101に対しては信号読み出しを行わないようにしてもよい。あるいは、特定の領域の画素101に対してのみ信号読み出しを行いようにしてもよい。これにより、非破壊での信号読み出しを高速に行うことができ、行による露光時間の長さの差を低減できる。なお、一部の画素101に対してのみ非破壊での信号読み出しをすることによって得られる画像の解像度は、全ての画素に対して通常の信号読み出しによって得られる画像の解像度よりも低くなる。しかし、解像度が異なっていても、これらの画像を合成することは可能である。
Further, in the above-described imaging operation example, the non-destructive signal readout may be performed only for at least some of the
本撮像動作例によれば、非破壊による信号読み出しR1によって、露光時間の短い画像が得られる。さらに、第1期間における画素101の感度は低く設定されている。したがって、短い露光時間に加え、低い感度で撮像されるため、高輝度な被写体であっても飽和することなく撮像することができる。また、本撮像動作例によれば、通常の信号読み出しR0によって露光時間の長い画像が得られる。さらに、第2期間における画素101の感度は、第1期間に比べて高く設定されている。したがって、長い露光時間に加え、高い感度で撮像されるため、低輝度な被写体でも黒潰れすることなく撮像することができる。よって、例えば、非破壊での信号読み出しによる画像と通常の信号読み出しによる画像とを合成することにより、ダイナミックレンジの広い画像を得ることができる。
According to this imaging operation example, an image with a short exposure time can be obtained by non-destructive signal readout R1. Furthermore, the sensitivity of the
[撮像装置の第2の撮像動作例]
図6は、第2の撮像動作例を示すタイミングチャートである。本撮像動作例は、第1期間Te1において非破壊での信号読み出しを少なくとも2回行う点で、第1の撮像動作例と異なる。以下、異なる点を中心に説明する。
[Second imaging operation example of imaging device]
FIG. 6 is a timing chart showing a second imaging operation example. This imaging operation example differs from the first imaging operation example in that non-destructive signal readout is performed at least twice in the first period Te1. In the following, the different points will be mainly described.
図6において、破線R2は、破線R1と同様、非破壊での信号読み出しが行われる行を模式的に示している。本撮像動作例では、複数の画素101は、非破壊での信号読み出しを第1期間Te1に続けて2回行う。これにより、露光時間が異なる複数の画像を得ることができる。
In FIG. 6, the dashed line R2 schematically indicates a row in which non-destructive signal readout is performed, like the dashed line R1. In this imaging operation example, the plurality of
また、第1期間Te1に非破壊読み出しで得られた2つの信号の差分を取ってもよい。具体的には、信号処理部30またはAD変換回路105は、非破壊での信号読み出しR2で得られた信号と、非破壊での信号読み出しR1で得られた信号との差分を取ってもよい。これにより、画素101が属する行によらず、複数の画素101の露光時間を等しくすることができる。よって、上記した画素101が属する行に応じた補正が不要となる。さらに、差分を取ることにより、固定パターンノイズも除去できる。よって、ノイズを低減した高品質の画像を得ることができる。また、第1の撮像動作例と同様、例えば、2回の非破壊読み出しで得られた信号の差分に対応する画像と、通常の信号読み出しで得られた信号に対応する画像とを合成することにより、ダイナミックレンジの広い画像を得ることができる。
Alternatively, the difference between the two signals obtained by nondestructive readout during the first period Te1 may be taken. Specifically, the
なお、本撮像動作例では、第1期間Teにおいて、非破壊での信号読み出しを2回行ったが、3回以上行ってもよい。また、これらの非破壊読み出しによる信号同士の差分を取ることにより、非破壊読み出しによる複数の画像を取得してもよい。 In this imaging operation example, non-destructive signal readout is performed twice in the first period Te, but it may be performed three times or more. Also, a plurality of images may be acquired by nondestructive readout by taking the difference between the signals by these nondestructive readouts.
[撮像装置の第3の撮像動作例]
図7は、第3の撮像動作例を示すタイミングチャートである。本撮像動作例は、蓄積期間Teが、第1期間Te1および第2期間Te2に加え第3期間Te3を含む点で、第1の撮像動作例と異なる。また、本撮像動作例は、第2期間Te2および第3期間Te3においても非破壊による信号読み出しを行う点で、第1の撮像動作例と異なる。以下、異なる点を中心に説明する。
[Third Imaging Operation Example of Imaging Apparatus]
FIG. 7 is a timing chart showing a third imaging operation example. This imaging operation example differs from the first imaging operation example in that the accumulation period Te includes a third period Te3 in addition to the first period Te1 and the second period Te2. Further, this imaging operation example differs from the first imaging operation example in that non-destructive signal readout is performed also in the second period Te2 and the third period Te3. In the following, the different points will be mainly described.
図7において、蓄積期間Teは、第3期間Te3をさらに含む。また、第3期間Te3において、感度調整電圧VITOはV3に設定される。ここで、V3はV2よりも高い電圧である。そのため、第3期間Te3における複数の画素101の感度は、第2期間Te2における感度よりも高い。したがって、第3期間Teにおいて、複数の画素101は、第2期間Te2の第2感度よりも高い第3の感度で信号電荷を生成し蓄積する。
In FIG. 7, the accumulation period Te further includes a third period Te3. Also, in the third period Te3, the sensitivity adjustment voltage VITO is set to V3. Here, V3 is a voltage higher than V2. Therefore, the sensitivity of the plurality of
また、第2期間Teにおいて、複数の画素101に対して、行毎に順次に非破壊で信号読み出しR2が行われる。このとき、複数の画素101が出力する信号は、時刻t0から信号読み出しが行われる時点までに電荷蓄積部に蓄積された信号電荷の量に対応する信号である。同様に、第3期間Teにおいて、複数の画素101に対して、行毎に順次に非破壊で信号読み出しR3が行われる。このとき、複数の画素101が出力する信号は、時刻t0から信号読み出しが行われる時点までに電荷蓄積部に蓄積された信号電荷の量に対応する信号である。
Further, in the second period Te, the signal readout R2 is sequentially performed on the plurality of
本撮像動作例によれば、非破壊での信号読み出しR1による画像に加え、非破壊での信号読み出しR2による画像、および、非破壊での信号読み出しR3による画像を得ることができる。これらの画像は、露光時間に加え感度が異なる。よって、これらの画像と通常の信号読み出しR0による画像とを合成することにより、ダイナミックレンジの広い画像を得ることができる。また、合成に使用する画像の数を増やすことで、各被写体の光量に応じて十分な信号量を確保することができるため、合成画像の画質を向上できる。 According to this imaging operation example, in addition to an image obtained by nondestructive signal readout R1, an image obtained by nondestructive signal readout R2 and an image obtained by nondestructive signal readout R3 can be obtained. These images differ in sensitivity as well as exposure time. Therefore, an image with a wide dynamic range can be obtained by synthesizing these images with an image obtained by normal signal readout R0. Also, by increasing the number of images used for synthesis, it is possible to secure a sufficient amount of signal according to the amount of light of each subject, so that the image quality of the synthesized image can be improved.
なお、非破壊での信号読み出しR1、R2、R3のそれぞれについて、画素101が属する行毎の露光時間の差を補正するために、画素101が属する行に応じて演算処理を行ってもよい。
For each of the nondestructive signal readouts R1, R2, and R3, arithmetic processing may be performed according to the row to which the
また、本撮像動作例においても、第2の撮像動作例と同様、第1期間Te1、第2期間Te2、および第3期Te3のそれぞれにおいて、非破壊により信号読み出しを2回行い、これらの差分を取ってもよい。また、差分に基づく画像を用いて画像合成を行ってもよい。 Further, in this imaging operation example, as in the second imaging operation example, non-destructive signal readout is performed twice in each of the first period Te1, the second period Te2, and the third period Te3, and the difference may be taken. Alternatively, image synthesis may be performed using an image based on the difference.
(第2の実施形態)
本実施形態に係る撮像装置は、光電変換層101Cを除いて、第1の実施形態に係る撮像装置20と同じである。以下、異なる点を中心に説明する。
(Second embodiment)
The imaging device according to this embodiment is the same as the
本実施形態に係る光電変換層101Cは、互いに分光感度特性が異なる第1光電変換層および第2光電変換層を含む。第1光電変換層は、第1のバイアス電圧より大きいバイアス電圧が印加されたとき、可視光の波長範囲に感度を有する。第2光電変換層は、第2のバイアス電圧よりも大きいバイアス電圧が印加させたとき、赤外光の波長範囲に感度を有する。ここで、第2のバイアス電圧は、第1のバイアス電圧よりも大きいとする。このとき、第1のバイアス電圧より大きく、第2のバイアス電圧よりも小さいバイアス電圧が印加された場合には、光電変換層101Cは可視光の波長範囲に感度を有する。また、第2のバイアス電圧よりも大きいバイアス電圧が印加された場合には、光電変換層101Cは可視光および赤外光の波長範囲に感度を有する。 The photoelectric conversion layer 101C according to this embodiment includes a first photoelectric conversion layer and a second photoelectric conversion layer having different spectral sensitivity characteristics. The first photoelectric conversion layer has sensitivity in the visible light wavelength range when a bias voltage greater than the first bias voltage is applied. The second photoelectric conversion layer has sensitivity in the wavelength range of infrared light when a bias voltage higher than the second bias voltage is applied. Here, it is assumed that the second bias voltage is higher than the first bias voltage. At this time, when a bias voltage higher than the first bias voltage and lower than the second bias voltage is applied, the photoelectric conversion layer 101C has sensitivity in the visible light wavelength range. Further, when a bias voltage higher than the second bias voltage is applied, the photoelectric conversion layer 101C has sensitivity in the wavelength range of visible light and infrared light.
図8は、光電変換層101Cの分光感度特性の一例を示す図である。図8の(a)および(b)において横軸は波長を示し、縦軸は吸収スペクトルの強度を示す。図8の(a)は、対向電極101Aと画素電極101Bの間のバイアス電圧が第1のバイアスよりも大きく、第2のバイアス電圧よりも小さい場合の光電変換層101Cの分光感度特性の一例である。図8の(b)は、対向電極101Aと画素電極101Bの間のバイアス電圧が第2のバイアス電圧よりも大きい場合の光電変換層101Cの分光感度特性の一例である。バイアス電圧によって分光感度特性を変化させる技術は、国際公開公報WO2018/025544に詳細に開示されている。本国際公開公報を本願明細書に援用する。
FIG. 8 is a diagram showing an example of spectral sensitivity characteristics of the photoelectric conversion layer 101C. In (a) and (b) of FIG. 8, the horizontal axis indicates the wavelength, and the vertical axis indicates the intensity of the absorption spectrum. FIG. 8A shows an example of spectral sensitivity characteristics of the photoelectric conversion layer 101C when the bias voltage between the
次に、第2の実施形態に係る撮像装置における撮像動作例について説明する。 Next, an example of imaging operation in the imaging apparatus according to the second embodiment will be described.
図9は、本実施形態に係る撮像装置における撮像動作例を示すタイミングチャートである。 FIG. 9 is a timing chart showing an example of imaging operation in the imaging apparatus according to this embodiment.
本実施形態の撮像動作例では、光電変換部21が感度を有する波長範囲を、第1期間Te1と第2期間Te2との間で異ならせている。具体的には、第1期間Te1において、上記した第1のバイアス電圧よりも大きく、第2のバイアス電圧よりも小さいバイアス電圧が光電変換層101Cに印加されるように、感度調整電圧VITOをV1に設定する。このとき、複数の画素101は、可視光の波長範囲に感度を有する。すなわち、第1期間Te1において、複数の画素101は、可視光の波長範囲の光を吸収して信号電荷を生成し蓄積する。また、第1期間Te1において、複数の画素101に対して、行毎に順次に非破壊で信号読み出しを行う。このとき、複数の画素101が出力する信号は、蓄積期間Teの開始時点から信号読み出しが行われる時点までに電荷蓄積部に蓄積された信号電荷の量に対応する信号である。よって、この信号は、可視光の波長範囲の光に対応する信号である。
In the imaging operation example of the present embodiment, the wavelength range to which the
次に、第2期間Te2において、上記した第2のバイアス電圧よりも大きいバイアス電圧が光電変換層101Cに印加されるように、感度調整電圧VITOをV2に設定する。このとき、複数の画素101は、可視光および赤外光の波長範囲に感度を有する。すなわち、第2期間Te2において、複数の画素101は、可視光および赤外光の波長範囲の光を吸収して信号電荷を生成し蓄積する。
Next, in the second period Te2, the sensitivity adjustment voltage VITO is set to V2 so that a bias voltage higher than the above-described second bias voltage is applied to the photoelectric conversion layer 101C. At this time, the plurality of
次に、非蓄積期間Trにおいて、複数の画素101に対して、行毎に順次に通常の信号読み出しを行う。このとき、複数の画素101が出力する信号は、蓄積期間Teに生成され蓄積された信号電荷の量に対応する信号である。よって、この信号は、可視光および赤外光の波長範囲の光に対応する信号である。
Next, in the non-accumulation period Tr, normal signal readout is sequentially performed for each row of the plurality of
本実施形態によれば、非破壊による信号読み出しR1によって、可視光の波長範囲の光を撮像した画像が得られる。また、通常の信号読み出しR0によって、可視光および赤外光の波長範囲の光を撮像した画像が得られる。すなわち、1フレーム期間において、撮像された光の波長範囲が互いに異なる複数の画像を取得することができる。 According to this embodiment, an image obtained by imaging light in the visible light wavelength range is obtained by non-destructive signal readout R1. Further, an image obtained by imaging light in the wavelength range of visible light and infrared light is obtained by normal signal readout R0. That is, it is possible to obtain a plurality of images in which the wavelength ranges of the captured light are different from each other in one frame period.
(第3の実施形態)
本実施形態に係る撮像装置は、第1の実施形態に係る撮像装置20と同じである。但し、感度調整電圧VITOおよび非破壊による信号読み出しのタイミングが第1の実施形態と異なる。以下、異なる点を中心に説明する。
(Third embodiment)
The imaging device according to this embodiment is the same as the
図10は、本実施形態に係る撮像装置における撮像動作例を示すタイミングチャートである。本実施形態の撮像動作例では、第2期間Te2において感度調整電圧VITOはV2に設定され、第1期間Te1において感度調整電圧VITOはV2よりも小さいV1に設定される。また、非破壊による信号読み出しは第1期間に行われる。このように、本実施形態では、非破壊による信号読み出しを行う第1期間Te1を、第2期間Te2の後にしている点で第1の実施形態と異なる。 FIG. 10 is a timing chart showing an example of imaging operation in the imaging apparatus according to this embodiment. In the imaging operation example of the present embodiment, the sensitivity adjustment voltage VITO is set to V2 in the second period Te2, and the sensitivity adjustment voltage VITO is set to V1, which is lower than V2, in the first period Te1. Further, nondestructive signal readout is performed in the first period. As described above, the present embodiment differs from the first embodiment in that the first period Te1 in which non-destructive signal readout is performed is set after the second period Te2.
本実施形態によれば、例えば、運動している被写体を撮像した場合において、ブレの小さい被写体像と、移動軌跡が付与された躍動感のある被写体像とを取得することができる。具体的には、非破壊による信号読み出しR1によって得られる信号は、第2期間Te2の開始時点から信号読み出しが行われる時点までに生成し蓄積された信号電荷の量に対応する。ここで、第1期間Te1における複数の画素101の感度は低く設定されているため、第1期間Te1において生成し蓄積された信号電荷の影響は小さい。よって、非破壊による信号読み出しR1によって得られる信号は、主として第2期間Te2において蓄積された信号電荷の量に対応する。したがって、第2期間Te2の長さを比較的短く設定することにより、非破壊による信号読み出しR1によってブレの少ない被写体像を得ることができる。
According to the present embodiment, for example, when an object in motion is captured, it is possible to obtain an image of the object with little blurring and an image of the object with a moving trajectory and a sense of dynamism. Specifically, the signal obtained by the nondestructive signal readout R1 corresponds to the amount of signal charge generated and accumulated from the start of the second period Te2 to the time when the signal readout is performed. Here, since the sensitivity of the plurality of
一方、通常の信号読み出しR0によって得られる信号は、第2期間Te2および第1期Te2において生成し蓄積された信号電荷の量に対応する。よって、通常の信号読み出しR0によって、第2期間Te2に対応するブレの少ない被写体像と、第1期間Te1に対応する比較的ブレの大きい被写体像とを含む画像が得られる。なお、第1期間Te1における複数の画素101の感度は、第2期間Te2における感度よりも小さく設定されているためブレの大きい被写体像は輝度が小さい。これにより、移動軌跡が付与された躍動感のある被写体像が得られる。
On the other hand, the signal obtained by normal signal readout R0 corresponds to the amount of signal charges generated and accumulated in the second period Te2 and the first period Te2. Therefore, an image including a subject image with little blur corresponding to the second period Te2 and a subject image with relatively large blur corresponding to the first period Te1 can be obtained by the normal signal readout R0. Note that the sensitivity of the plurality of
図11は、本実施形態に係る撮像装置によって撮像された画像の例を示す図である。図11の(a)は、非破壊での信号読み出しR1で得られる画像d1を示す。図11の(b)は、通常の信号読み出しR0で得られる画像d2を示す。画像d1は、移動体のブレが小さい被写体像を含む。画像d2は、ブレが小さい被写体像に加え、輝度の小さい移動軌跡が付与された躍動感のある被写体像を含む。このように、本実施形態によれば、例えば、運動している被写体を撮像した場合において、ブレの小さい被写体像と、移動軌跡が付与された躍動感のある被写体像とを取得することができる。 FIG. 11 is a diagram showing an example of an image captured by the imaging device according to this embodiment. FIG. 11(a) shows an image d1 obtained by nondestructive signal readout R1. FIG. 11(b) shows an image d2 obtained by normal signal readout R0. The image d1 includes a subject image with a small blur of the moving object. The image d2 includes, in addition to the subject image with little blurring, a dynamic subject image to which a movement trajectory with low luminance is given. As described above, according to the present embodiment, for example, when capturing an image of a moving subject, it is possible to obtain an image of the subject with little blurring and an image of the subject with a sense of dynamism to which a moving trajectory is added. .
なお、第2期間Te2の長さは、第1期間Te1の長さよりも長くしてもよい。また、第2期間Te2における感度調整電圧VITOは、第1期間Te1における感度調整電圧VITOよりも小さくしてもよい。これらの各変形例によっても、異なる感度で撮像された被写体像を含む複数の画像を得ることができる。 Note that the length of the second period Te2 may be longer than the length of the first period Te1. Also, the sensitivity adjustment voltage VITO in the second period Te2 may be lower than the sensitivity adjustment voltage VITO in the first period Te1. A plurality of images including subject images captured with different sensitivities can also be obtained by each of these modifications.
本開示に係る撮像装置は、種々の撮像装置として有用である。またデジタルカメラ、デジタルビデオカメラ、カメラ付携帯電話、電子内視鏡などの医療用カメラ、車載カメラ、ロボット用カメラ等の用途にも応用できる。 The imaging device according to the present disclosure is useful as various imaging devices. It can also be applied to applications such as digital cameras, digital video cameras, mobile phones with cameras, medical cameras such as electronic endoscopes, in-vehicle cameras, and robot cameras.
10 カメラシステム
20 撮像装置
22 FD
23 増幅トランジスタ
24 選択トランジスタ
25 リセットトランジスタ
30 信号処理部
40 システムコントローラ
50 表示部
60 光学系
101 画素
102 垂直走査回路
101A 対向電極
101B 画素電極
101C 光電変換層
101D 半導体基板
101E コンタクトプラグ
103 水平走査回路
104 電流源
105 AD変換回路
106 電源線
107 水平信号線
108 垂直信号線
109 出力信号線
10
23
Claims (11)
電圧供給回路と、
を備え、
前記複数の画素のそれぞれは、
第1電極、第2電極、および、前記第1電極と前記第2電極との間に位置し、光電変換により信号電荷を生成する光電変換層を含む光電変換部と、
前記第2電極に電気的に接続され、前記信号電荷を蓄積する電荷蓄積部と、
を含み、
前記信号電荷が生成され蓄積される期間である蓄積期間は、第1期間および第2期間を含み、
前記電圧供給回路は、前記第1期間に第1電圧を前記第1電極に供給し、前記第2期間に前記第1電圧と異なる第2電圧を前記第1電極に供給し、
前記複数の画素のうち少なくとも一部の画素は、前記電荷蓄積部に蓄積された前記信号電荷の量に対応する信号を、前記第1期間に非破壊で順次に出力し、
前記複数の画素は、前記電荷蓄積部に蓄積された前記信号電荷の量に対応する信号を、前記蓄積期間後の非蓄積期間に順次に出力する、
撮像装置。 a plurality of pixels capable of non-destructive readout;
a voltage supply circuit;
with
each of the plurality of pixels,
a photoelectric conversion portion including a first electrode, a second electrode, and a photoelectric conversion layer positioned between the first electrode and the second electrode for generating a signal charge by photoelectric conversion;
a charge storage unit electrically connected to the second electrode and configured to store the signal charge;
including
an accumulation period, which is a period in which the signal charge is generated and accumulated, includes a first period and a second period;
the voltage supply circuit supplies a first voltage to the first electrode during the first period, and supplies a second voltage different from the first voltage to the first electrode during the second period;
at least some of the plurality of pixels sequentially output a signal corresponding to the amount of the signal charge accumulated in the charge accumulation unit during the first period in a non-destructive manner;
The plurality of pixels sequentially output a signal corresponding to the amount of the signal charge accumulated in the charge accumulation unit during a non-accumulation period after the accumulation period.
Imaging device.
請求項1に記載の撮像装置。 The first period is before the second period,
The imaging device according to claim 1 .
請求項1に記載の撮像装置。 The first period is later than the second period,
The imaging device according to claim 1 .
請求項1から3のいずれか1項に記載の撮像装置。 At least some of the plurality of pixels sequentially output a signal corresponding to the amount of the signal charge accumulated in the charge accumulation unit during the second period in a non-destructive manner.
The imaging device according to any one of claims 1 to 3.
請求項1から4のいずれか一項に記載の撮像装置。 the first voltage is less than the second voltage;
The imaging device according to any one of claims 1 to 4.
請求項1から4のいずれか一項に記載の撮像装置。 the first voltage is greater than the second voltage;
The imaging device according to any one of claims 1 to 4.
前記電圧供給回路は、前記第3期間に、前記第1電圧および前記第2電圧と異なる第3電圧を前記第1電極に供給する、
請求項1から6のいずれか1項に記載の撮像装置。 the accumulation period further includes a third period,
wherein the voltage supply circuit supplies a third voltage different from the first voltage and the second voltage to the first electrode during the third period;
The imaging device according to any one of claims 1 to 6.
前記複数の画素は、行列状に配置されており、
前記信号処理部は、前記第1期間に非破壊で出力された前記信号に対して、対応する画素が属する行に応じた係数を乗算する処理を行う、
請求項1から7のいずれか1項に記載の撮像装置。 further equipped with a signal processing unit,
The plurality of pixels are arranged in a matrix,
The signal processing unit multiplies the signal output in a non-destructive manner during the first period by a coefficient corresponding to the row to which the corresponding pixel belongs,
The imaging device according to any one of claims 1 to 7.
請求項1から8のいずれか1項に記載の撮像装置。 At least some of the plurality of pixels perform an operation of sequentially outputting a signal corresponding to the amount of the signal charge accumulated in the charge accumulation portion in a non-destructive manner at least twice during the first period. ,
The imaging device according to any one of claims 1 to 8.
請求項1から9のいずれか1項に記載の撮像装置。 Only some of the plurality of pixels sequentially output a signal corresponding to the amount of the signal charge accumulated in the charge accumulation unit during the first period in a non-destructive manner;
The imaging device according to any one of claims 1 to 9.
前記信号電荷が生成され蓄積される期間である蓄積期間は、第1期間および第2期間を含み、
前記第1期間における前記複数の画素の感度を第1感度に設定し、
前記第2期間における前記複数の画素の感度を前記第1感度と異なる第2感度に設定し、
前記第1期間において、前記複数の画素のうちの少なくとも一部の画素から、前記電荷蓄積部に蓄積された前記信号電荷の量に対応する信号を非破壊で順次に読み出し、
前記蓄積期間の後の非蓄積期間において、前記複数の画素から、前記電荷蓄積部に蓄積された信号電荷の量に対応する信号を順次に読み出す、
撮像方法。 An imaging method using a plurality of pixels each including a photoelectric conversion unit that generates signal charges by photoelectric conversion and a charge storage unit that stores the signal charges,
an accumulation period, which is a period in which the signal charge is generated and accumulated, includes a first period and a second period;
setting the sensitivity of the plurality of pixels in the first period to a first sensitivity;
setting the sensitivity of the plurality of pixels in the second period to a second sensitivity different from the first sensitivity;
In the first period, signals corresponding to the amount of the signal charge accumulated in the charge accumulation unit are sequentially and nondestructively read out from at least some of the plurality of pixels,
In a non-accumulation period after the accumulation period, signals corresponding to the amount of signal charges accumulated in the charge accumulation unit are sequentially read out from the plurality of pixels;
Imaging method.
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