JP3858417B2 - 撮像装置及び撮像素子の駆動方法 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、デジタルスチルカメラ等における画像の撮影に好適な撮像装置及び撮像素子の駆動方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
近年、コンピュータシステムなどに取り込む静止画像を撮影するために、デジタルスチルカメラが盛んに用いられている。デジタルスチルカメラでは、静止画像を撮影するための撮像素子としてCCD(Charged Coupled Device)撮像素子が一般に用いられている。CCD撮像素子では、画素毎に設けられたフォトダイオードが受光する光の強度によって発生するキャリアの違いによって階調を得ていた。このフォトダイオードが発生した電荷は、CCDによって転送された後、アナログ増幅器で増幅されて処理回路に出力されていた。
【0003】
また、画素毎に撮像素子としてダブルゲートトランジスタを用いたデジタルスチルカメラも知られている。このような撮像素子の1画素分は、例えば、図10に示すように構成されていた。そして、次のようにして、多階調の画像データを得ていた。
【0004】
まず、当該画素の選択期間の一定時間前に、トップゲートドライバ(図示せず)からトップゲートラインTLを介してトップゲート81aに正バイアスの電圧を印加して、ダブルゲートトランジスタ81をリセットする。すなわち、ダブルゲートトランジスタ81の半導体層に蓄積されてキャリア(正孔)を放出させる。また、プリチャージスイッチ82をオンして、データラインDLを所定の電位Vddにプリチャージする。
【0005】
ダブルゲートトランジスタ81は、リセットされた後、選択期間となるまでに照射された光に応じて半導体層にキャリアが発生している。そして、ボトムゲートドライバ(図示せず)からボトムゲート81bに所定の電圧を印加することによって、照射光量に応じてダブルゲートトランジスタ81の半導体層にチャネルが形成され、データラインDLにプリチャージされた電位Vddがディスチャージされる。これにより、データラインDL上の電位は、ダブルゲートトランジスタ81が受光した光量によって決められることとなる。このデータライン上の電位は、オンされたコラムスイッチ83を介して出力され、アナログ増幅器(図示せず)で増幅されて出力されていた。
【0006】
このように従来のダブルゲートトランジスタを用いた撮像素子では、ダブルゲートトランジスタの特性、すなわち受光した光量に応じて変化する抵抗値に従って階調画像を得ていた。このため、各画素のダブルゲートトランジスタの特性にばらつきがあると、画像データにばらつきが生じるという問題があった。このダブルゲートトランジスタの特性のばらつきには種々の原因があり、多階調の画像を読み出す場合に、読み出す画像データがばらつかないようにすることは極めて困難であった。
【0007】
また、従来のダブルゲートトランジスタを用いた撮像素子では、多階調の画像データはアナログ読み出しされていたため、読み出された画像データを増幅するアナログ増幅器が必要であった。また、画像データをデジタル処理するためのA/D変換器も必要であった。このため、アナログ増幅器等を設けるためのスペースが撮像装置に必要となり、装置全体が大型化していた。また、アナログ増幅器を必要とするために製造コストも高くなっていた。
【0008】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記従来技術の問題点を解消するためになされたものであり、アナログ増幅器等を設けることなく多階調の画像を取り扱うことができる、省スペース、低コストの撮像装置及び撮像素子の駆動方法を提供することを目的とする。本発明は、また、画素毎の撮像素子の特性のばらつきに影響されずに、多階調の画像を読み出すことができる撮像装置及び撮像素子の駆動方法を提供することを目的とする。
【0009】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明の第1の観点にかかる撮像装置は、
所定量の光の受光によってオンし、オン時とオフ時との2値レベルの信号を出力する撮像素子と、
1フレームを複数のサブフィールドに分割し、サブフィールド毎に前記撮像素子がオンするための受光光量を変化させる駆動手段と、
この駆動手段によってオンするための受光光量が変化させられた各サブフィールドにおける前記撮像素子の出力信号を取り込む取り込み手段と、
この取り込み手段によって取り込まれた各サブフィールドの前記撮像素子の出力信号を少なくとも1フレーム分記憶する記憶手段と、
この記憶手段に記憶された1フレーム分の前記撮像素子の出力信号に対応する画像信号を出力する出力手段と、を備える
ことを特徴とする。
【0010】
この撮像装置では、サブフィールド毎に撮像素子がオンするための受光光量が変化される。つまり、どのサブフィールドにおいて撮像素子がオンしたかによって撮像素子が受光した光の輝度を知ることができる。この撮像素子のオン/オフは、サブフィールド毎に2値レベルの信号、すなわちデジタル量として得ることができる。このため、デジタル量で階調信号を得ることができるので、アナログ増幅器が不要となり、省スペース、低コストの撮像装置を構成できる。
【0011】
また、この撮像装置では、撮像素子のオン/オフによってのみ階調信号を得ているので、撮像素子の特性のばらつきに影響されずに、多階調の画像信号を得ることができる。
【0012】
上記撮像装置において、
前記撮像素子は、同一の輝度の光を受光しても、光を受光する時間によってオンするための受光光量が変化する性質を有するものとすることができる。この場合、
前記駆動手段は、各サブフィールドの時間を変えることによって、サブフィールド毎に前記撮像素子がオンするための光の輝度を変化させることができる。
【0013】
上記撮像装置において、
前記撮像素子は、印加される電圧によってオンするための受光光量が変化する性質を有するものとすることもできる。この場合、
前記駆動手段は、サブフィールド毎に異なる電圧を前記撮像素子に印加する手段を有するものとしてもよい。
【0014】
上記撮像装置において、
前記撮像素子は、例えば、所定の電圧を印加したときに光が照射されることによって内部の半導体層にキャリアを発生させ、前記所定の電圧と逆極性の電圧を印加することによって半導体層に発生したキャリアを消滅させる第1のゲートと、所定の電圧を印加することによって前記半導体層に発生したキャリアを移動させて前記半導体層にチャネルを形成させる第2のゲートと、前記半導体層に接続され、前記半導体層に形成されたチャネルを通じて電流を流すドレイン及びソースとを備える電界効果トランジスタによって構成される。
【0015】
上記目的を達成するため、本発明の第2の観点にかかる撮像素子の駆動方法は、
撮像素子の駆動方法であって、
前記撮像素子は、所定量の光の受光によってオンし、オン時とオフ時との2値レベルの信号を出力するものであり、
1フレームを複数のサブフィールドに分割し、サブフィールド毎に前記撮像素子がオンするための受光光量を変化させる駆動ステップと、
この駆動ステップでオンするための受光光量が変化させられた各サブフィールドにおける前記撮像素子の出力信号を取り込む取り込みステップと、
この取り込みステップで取り込まれた各サブフィールドの前記撮像素子の出力信号を少なくとも1フレーム分保持する保持ステップと、
この保持ステップで保持された1フレーム分の前記撮像素子の出力信号に対応する画像信号を出力する出力ステップと、を含む
ことを特徴とする。
【0016】
上記目的を達成するため、本発明の第3の観点にかかる撮像素子の駆動方法は、
所定量の光の受光によってオンし、オン時とオフ時との2値レベルの信号を出力する撮像素子の駆動方法であって、
前記撮像素子に光が照射されている期間に、前記撮像素子を第1の期間選択する第1の選択ステップと、
前記第1の選択ステップで選択されている前記撮像素子の選択信号を取り込む第1の取り込みステップと、
前記撮像素子を第2の期間選択する第2の選択ステップと、
前記第2の選択ステップで選択されている前記撮像素子の選択信号を取り込む第2の取り込みステップと、
前記第1、第2の取り込みステップは、前記撮像素子がオンするための受光光量が互いに異なっており、前記第1、第2の取り込みステップで取り込んだ前記撮像素子の出力信号に基づいて、前記撮像素子に照射された光照射量に対応する信号を出力するステップと、を含む
ことを特徴とする。
【0017】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。
以下の説明では、例えば、静止画を撮像するデジタルスチルカメラに用いられる撮像装置を例として説明する。
【0018】
[第1の実施の形態]
この実施の形態では、1フレームを7つのサブフィールドに分割し、各サブフィールドに対応して撮像素子の出力信号を重み付けする。そして、各サブフィールドの出力信号を処理して得た3ビットのデジタルデータを8階調の画像信号として読み出す撮像装置について説明する。この実施の形態では、サブフィールド毎の重み付けとしてダブルゲートトランジスタへの電荷の蓄積時間の長さを採用している。
【0019】
図1は、この実施の形態のダブルゲートトランジスタを用いた撮像装置の構成を示すブロック図である。
図示するように、この撮像装置は、撮像素子1と、コントローラ2と、トップゲートドライバ3と、ボトムゲートドライバ4と、セレクタ5と、出力バッファ6と、データ処理装置7とから構成されている。
【0020】
撮像素子1には、センサアレイブロック10が形成されている。センサアレイブロック10には、ダブルゲートトランジスタ11が、例えば、縦120個横160個でマトリクス状に配置されている。ダブルゲートトランジスタ11は、後述するようにトップゲート、ボトムゲート、ソース、ドレインからなるn−MOS型トランジスタである。ダブルゲートトランジスタ11のトップゲートは、トップゲートラインTLに接続されている。ボトムゲートは、ボトムゲートラインBLに接続されている。ドレインは、データラインDLに接続されている。ソースは、接地されている。データラインDLには、それぞれ電界効果トランジスタによって構成されたプリチャージスイッチ12と、コラムスイッチ13とが接続されている。
【0021】
ダブルゲートトランジスタ11は、トップゲートに印加した逆バイアス電圧と、逆バイアス電圧を印加しているときに受光した光量に応じて半導体層(後述)にキャリアが発生する。半導体層に発生したキャリアは、ボトムゲートに正バイアス電圧が印加されることによって移動し、チャネルが形成される。ダブルゲートトランジスタ11の構成及び動作原理については、詳しく後述する。
【0022】
プリチャージスイッチ12は、後述するコントローラ2から供給されるプリチャージ信号Pcntに従ってオンされる。これによって、データラインDLが所定の電位Vddにプリチャージされる。
コラムスイッチ13は、例えば、8個毎にグループが構成され、セレクタ5の選択に従ってオンされる。
【0023】
コントローラ2は、トップゲートドライバ3を制御するためのトップ制御信号Tcnt、ボトムゲートドライバ4を制御するためのボトム制御信号Bcnt、セレクタ5を制御するためのセレクト制御信号Scnt、データ処理装置7を制御するためのデータ制御信号Dcnt及び撮像素子1のプリチャージスイッチ12をオン/オフするためのプリチャージ制御信号Pcntを内部クロックに基づいて生成し、それぞれ各部に供給する。
【0024】
トップゲートドライバ3は、コントローラ2から供給されたトップ制御信号Tcntに従って、ダブルゲートトランジスタ11のトップゲートにセンス状態のセンス電圧か非センス状態の非センス電圧のいずれかをトップゲートラインTLを介して選択的に出力する。すなわち、各トップゲートラインTLに順次センス電圧を印加する線順次走査を行う。
【0025】
ボトムゲートドライバ4は、コントローラ2から供給されたボトム制御信号Bcntに従って、ボトムゲートラインBLのいずれかを選択してアクティブにする。
【0026】
セレクタ5は、コントローラ2から供給されたセレクトコントロール信号Scntに従って、コラムスイッチ13を選択してオンする。セレクタ5がコラムスイッチ13をオンすることによって、対応するデータラインDLを介してダブルゲートトランジスタ11の出力信号が、コラムスイッチ13を介して出力バッファ6に入力される。
【0027】
出力バッファ6は、撮像素子1の出力信号、すなわちデータラインDL、コラムスイッチ13を介してダブルゲートトランジスタ13から出力された信号を例えば、8画素分取り込み、一時記憶する。出力バッファ6に一時記憶された撮像素子1の出力信号は、後述するようにデータ制御信号Dcntに従ってデータ処理装置7に順次読み出される。
【0028】
データ処理装置7は、出力バッファ6を介して入力されたサブフィールド毎の撮像素子1の出力信号から3ビットの画像信号を生成して出力するものである。データ処理装置7は、図2に示すように、制御部71と、データメモリ72と、データ変換テーブル73と、データ変換部74と、補正テーブル75と、補正処理部76とから構成されている。
【0029】
制御部71には、コントローラ2から出力されたデータ制御信号Dcntが供給される。制御部71は、データ制御信号Dcntに従って、データメモリ72、データ変換部74及び補正処理部76をそれぞれ制御する。
【0030】
データメモリ72は、制御部71の制御に従って、出力バッファ6に一時記憶された撮像素子1の出力信号を順次読み込んで記憶するものである。データメモリ72は、サブフィールド毎に撮像素子1の出力信号を記憶する領域に分けられており、少なくとも1フレーム分の撮像素子1の出力信号を記憶する容量を有する。
【0031】
データ変換テーブル73は、データメモリ72に記憶された撮像素子1の出力信号を3ビットの画像信号に変換するために必要となるデータを記憶するテーブルである。データ変換テーブル73は、例えば、図3に示すように、サブフィールド毎の撮像素子1の出力信号の値と変換後の3ビットの画像信号とを対応づけて記憶するものである。
【0032】
データ変換部74は、データメモリ72に記憶された撮像素子1の出力信号から、画素単位で1フレーム分のデータを読み出し、これをデータ変換テーブル73に記憶されたデータと比較し、3ビットの画像信号を生成する。データ変換部74で生成された画像信号は、補正処理部76に供給される。
【0033】
補正テーブル75は、データ変換部74から出力された画像信号に対してガンマ補正等の補正をするためのデータを記憶するテーブルである。
補正処理部76は、補正テーブル75を参照してデータ変換部74から出力された画像信号にガンマ補正等の補正を施して、補正された画像信号を出力する。補正された画像信号は、デジタルスチルカメラの画像メモリや表示部(図示せず)等に供給される。
【0034】
図4は、図1の撮像素子1におけるダブルゲートトランジスタ11の構成を示す断面図である。
図示するように、ダブルゲートトランジスタ11は、ガラス基板上にボトムゲート電極11b、絶縁膜11f、半導体層11e、ドレイン電極11c、ソース電極11d、絶縁膜11g及びトップゲート電極11aが順次形成されて構成される。
【0035】
トップゲート電極11aは、ITO(Indium Tin Oxide)などの透明電極材料によって構成され、光を透過して半導体層11eに光を照射することができるようにするものである。トップゲート電極11aに負電位のセンス電圧が印加されると、照射された光の量に応じて半導体層11e内に発生したキャリアのうちの正孔が、半導体層11e内のトップゲート電極11a側に局在化する。
【0036】
ボトムゲート電極11bは、Al、Crなどによって構成されている。ソース−ドレイン間に所定の電位差があり、ボトムゲート電極11bに正電位の電圧が印加されると、チャネルが形成され、半導体層11e内にボトムゲート電極11bに印加された電圧値に応じたドレイン電流が流れる。この状態で半導体層11eに光が照射されず、かつトップゲート電極11aに負電位のセンス電圧が印加されると、半導体層11e内の空乏層が広がり、ピンチオフされることとなる。
【0037】
ドレイン電極11c及びソース電極11dは、それぞれAl、Crなどによって構成されている。半導体層11eにチャネルが形成されることによって、データラインDLにプリチャージされた電圧は、形成されたチャネルを介してドレイン電極11cとソース電極11dとの間に電圧が流れることによってディスチャージされる。これにより、コラムスイッチ13を介して出力バッファ6に供給される信号の電位が降下する。
【0038】
半導体層11eは、水素化アモルファスシリコン(a−Si:H)やポリシリコンなどによって構成されている。半導体層11eは、可視光領域の光を吸収することによってキャリア(正孔及び電子)を発生する性質を有する。また、ドレイン電極11c及びソース電極11dとの接触面にリン等の不純物イオンを含むn+型の半導体領域を、真性アモルファスシリコンからなるチャネル領域の両端側に形成してもよい。また、入射光に対してキャリアを適度に発生させることができれば、上記材料に限らない。
【0039】
絶縁膜11fは、SiNなどの絶縁性を有する材料によって構成され、ボトムゲート電極11bと半導体層11eとの間を絶縁する。絶縁膜11gは、SiNなどの絶縁性を有する材料によって構成され、半導体層11e、ドレイン電極11c及びソース電極11dとトップゲート電極11aとの間を絶縁する。
【0040】
以下、ダブルゲートトランジスタ11の動作原理について、図5(A)〜(D)を参照して説明する。図5(A)〜(D)では、いずれもドレイン電極11cには10(V)の電圧が印加され、ソース電極11dは接地されて、0(V)となっている。
【0041】
図6は、ボトムゲート電極11bに印加されるボトムゲート電圧VBGを選択電圧(+10(V))又は非選択電圧(0(V))のいずれかに固定し、トップゲート電圧VTGを−20(V)から0(V)にシフトしたときのドレイン電流IDS(A)を示したものである。実線Q1、Q2、Q3及びQ4は、いずれもボトムゲート電極11bに選択電圧が印加され、照射された励起光の明るさがそれぞれ2300(lx.)、400(lx.)、16(lx.)、1(lx.)の場合のドレイン電流IDSの軌線である。実線Wは、ボトムゲート電極11bに非選択電圧が印加され、照射された励起光の明るさが2300(lx.)の場合のドレイン電流の軌線である。なお、ボトムゲート電極11bに非選択電圧が印加され、励起光照度が1(lx.)の場合のドレイン電流IDSは、トップゲート電圧VTGが−20(V)から0(V)の間のいずれでも、1×10-14(A)以下であった。
【0042】
まず、ダブルゲートトランジスタ11が選択状態かつ非センス状態の場合、すなわち、図5(A)に示すように、トップゲート電極11aに逆バイアスの非センス電圧(0(V))の電圧が印加され、ボトムゲート電圧11bに順バイアス(10(V))の選択電圧が印加された場合、半導体層11eに入射される励起光の有無に関わらずnチャネルが形成され、1×10-6(A)以上のドレイン電流が流れる。
【0043】
そして、図5(B)に示すように、非選択状態かつセンス状態の場合、すなわち、トップゲート電極11aに逆バイアスのセンス電圧−20(V)が印加され、ボトムゲート電極11bに非選択電圧0(V)が印加されている場合、ドレイン電極11cとソース電極11dとの間に電位差があっても、nチャネルはほとんど形成されず、ドレイン電流は、励起光2300(lx.)で1×10-11(A)以下、1(lx.)で1×10-14(A)以下と、極めて小さかった。
【0044】
図5(C)に示すように、選択状態かつセンス状態で励起光が半導体層11eにほとんど照射されない場合、ボトムゲート電極11bに印加された選択電圧により半導体層11e内のボトムゲート電圧11b側の絶縁膜11fとの界面付近にnチャネルを形成しようとする働きが生じるが、同時にトップゲート電極11aのセンス電圧により、半導体層11e内のトップゲート電圧11a側の絶縁膜11gとの界面付近に空乏層が生じる。半導体層11e内では、センス電圧の−20(V)の影響が選択電圧の+10(V)の影響より大きいため、nチャネルはピンチオフされ、ドレイン電流は1×10-14(A)以下であった。
【0045】
選択状態かつセンス状態で励起光が半導体層11eに照射される場合、図5(D)に示すように、発生したキャリアのうちの電子はnチャネル側に移動し、発生したキャリアのうちの正孔が半導体層11e内のトップゲート電極11a側の絶縁膜11gとの界面付近h1に局在化することになる。これら正孔は、空乏層の働きを減じる作用をするため、nチャネルが形成され、ドレイン電流が流れる。このドレイン電流は、単位時間に照射される励起光の強度とその照射時間との積である光量に依存され、この光量の増大に伴いドレイン電流の値が増大するので、ドレイン電流の値に基づくデータ信号を検出することで光量を測定することができる。
【0046】
また、半導体層11eに発生したキャリアのうちの蓄積された正孔は、トップゲート電極11aに正バイアス(例えば、10(V))の電圧を印加することによって、吐き出される。また、正バイアスに限らず、トップゲート電極11aに0(V)の電圧を印加してもリセットすることができる。
【0047】
以下、この実施の形態の撮像装置における画像信号の読み出し動作(撮像素子1の駆動動作)について説明する。
ここでは、説明をわかりやすくするため、センサアレイブロック10にマトリクス状に形成されたダブルゲートトランジスタ11の撮像信号は、マトリクスの1ライン単位で読み出されるものとする。従って、以下に説明する撮像装置の場合は、セレクタ5を省略したものとする。
【0048】
図7に示すように、それぞれのライン毎における1サブフィールド期間前、コントローラ2からのトップ制御信号Tcntに基づいて、トップゲートドライバ3からトップゲートラインTLを介してトップゲート電極11aにそれぞれ順バイアスの電圧(例えば、10(V))を印加する。この順バイアス電圧を印加する時間長は、サブフレームによらずに一定である。これによって、前のサブフレームで半導体層11eに発生して蓄積されていたキャリア(正孔)が排除させられる。
【0049】
トップゲート電極11aへ順バイアス電圧を印加する期間が終了すると、コントローラ2からのトップ制御信号Tcntに基づいて、トップゲートドライバ3から第R行目(Rは正の整数)のトップゲートラインTLを介してトップゲート電極11aに逆バイアスの電圧(例えば、−20(V))を印加し、センス状態にする。この間、すなわち期間tw1に、コントローラ2からのプリチャージ制御信号Pcntに従って、プリチャージスイッチ12がオンされ、各データラインDLが基準電位Vddにチャージされる。
【0050】
次に、サブフィールド毎に異なる所定時間が経過したところで、プリチャージスイッチ12をオフする。また、コントローラ2からのボトム制御信号Bcntに基づいて、ボトムゲートドライバ4から上記第R行目のボトムゲートラインBLを介してボトムゲート電極11bに順バイアスの電圧(例えば、10(V))を印加する。このとき、トップゲート電極11aへの光の照射量が所定量以上であったダブルゲートトランジスタ11は、半導体層11e内に光量に応じてチャネルが形成され、ドレイン電極11cとソース電極11dとの間に電流が流れる。これにより、プリチャージされたデータラインDLの電位がディスチャージされ、電圧が降下する。
【0051】
次に、期間trに、コントローラ2からの制御信号に基づいて、コラムスイッチ13をオンする。これにより、データラインDL上の電圧が、コラムスイッチ13を介して出力バッファ6に出力される。なお、出力バッファ6に出力される信号電圧は、対応するトップゲート電極11aへ照射された光が所定量以上の場合は、ローレベル「0」となり、所定量以下の場合はハイレベル「1」となる。そして、この出力バッファ6に出力された信号は、データ処理装置7のデータメモリ72に読み込まれる。
【0052】
こうして、出力バッファ6に信号電圧が出力されると、コントローラ2からの制御信号に基づいて、コラムスイッチ13がオフされると共に、次の第(R+1)行目のプリチャージスイッチ12がオンされ、次のラインについての信号の出力のためにデータラインDLがプリチャージされる。また、第(R+1)行目のラインのダブルゲートトランジスタ11のトップゲート電極11aに逆バイアス電圧が印加される。そして、そのサブフィールドに応じた所定の時間が経過したときに、次のラインのボトムゲート電極11bに順バイアス電圧を印加する。
以下同様にして、順次ライン毎に信号を読み出していく。
【0053】
以下、1フレーム期間全体での撮像素子1の駆動動作について説明する。
図7に示すように、トップゲート電極11aに逆バイアス電圧を印加する時間tw1、tw2、・・・、tw7の比が、第1〜第7サブフィールドまで 1:2:3:4:5:6:7となっている。このため、半導体層11eに発生するキャリアの量は、同一の輝度の光が照射された場合であってもサブフィールド毎に増えていくので、例えば、第2サブフィールドまでは、出力バッファ6に入力される信号電圧はハイレベル「1」つまり「暗」、第3サブフィールドではローレベル「0」つまり「明」として、階調信号を得ることができる。また、同一の期間照射されても、輝度によって半導体層11eに発生するキャリアの量が増えていくので、例えば、同一サブフレームでも輝度4の光が照射された場合は信号電圧はハイレベル「1」、輝度5の光が照射された場合は、信号電圧はローレベル「0」となって、階調信号を得ることができる。
【0054】
以上の動作によって、ダブルゲートトランジスタ11の1フレーム分の出力信号が、データ処理装置7内のデータメモリ72に蓄積される。
データ処理装置7において、データ変換部74は、制御部71の制御に従ってデータメモリ72に記憶された撮像素子1の出力信号を1画素分ずつ順次読み出す。そして、データ変換テーブル73を参照して、読み出した7ビットの信号を3ビットの画像信号に変換して、補正処理部76に供給する。
【0055】
補正処理部76は、制御部71の制御に従って、補正テーブル75を参照して、データ変換部74から供給された画像信号にガンマ補正等の補正を施して、出力する。補正処理部76から出力された補正後の画像信号は、撮影された画像を表示するビューファインダ部(図示せず)や、撮影された画像の画像データを記憶する画像メモリ(図示せず)に供給される。
【0056】
以上説明したように、この実施の形態の撮像装置では、サブフィールド毎にトップゲート電極11aに逆バイアス電圧を印加する期間を変えている。これにより、同一の輝度の光が照射された場合でも、サブフィールドによって出力バッファ6に出力される信号がハイレベルかローレベルか決まるので、ダブルゲートトランジスタ11から読み出す信号を2値レベルの信号として扱うことができる。これにより、データをデジタル量で扱うことができるので、アナログ増幅器が不要となり、省スペース、低コストの撮像装置を構成することができる。
【0057】
また、このようにダブルゲートトランジスタ11のオン/オフの2値でデータを取り扱うために、ダブルゲートトランジスタ11の特性のばらつきに影響されずに、多階調の画像信号を得ることが可能となる。
【0058】
[第2の実施の形態]
この実施の形態でも、1フレームを7つのサブフィールドに分割し、各サブフィールドに対応して撮像素子1の出力信号を重み付けする。そして、各サブフィールドの出力信号を処理して得た3ビットのデジタルデータを8階調の画像信号として読み出す撮像装置について説明する。この実施の形態では、ビットの重み付けとしてダブルゲートトランジスタ11のトップゲートに印加する電圧の大きさを採用している。そして、サブフィールド毎の画像の取り込み時間は同じである。
【0059】
この実施の形態の撮像装置の構成は、第1の実施の形態のものとほぼ同一である。但し、トップゲートドライバ3は、第1の実施の形態の場合と同様に、順バイアス/逆バイアスの電圧をダブルゲートトランジスタ11に印加するための電圧を出力するが、サブフィールド毎に大きさが異なる電圧をトップゲートラインTLに出力する。また、コントローラ2は、サブフィールド毎の画像の取り込み時間の間隔が同じであることに合わせて、トップ制御信号Tcnt、ボトム制御信号Bcnt、セレクト制御信号Scnt、データ制御信号Dcnt及びプリチャージ制御信号Pcntをそれぞれ第1の実施の形態の場合と異なるタイミングで出力する。
【0060】
以下、この実施の形態の撮像装置における画像信号の読み出し動作(撮像素子1の駆動動作)について説明する。
この実施の形態において、サブフレーム毎の動作は、サブフレーム毎にトップゲート電極11aに印加する逆バイアス電圧が変化する他は、実質的に同一である。
【0061】
以下、1フレーム期間全体での撮像素子1の駆動動作について説明する。
図8に示すように、トップゲート電極11aに印加する逆バイアス電圧V1、V2、・・・、V7の絶対値が、第1〜第7サブフィールドまでで、1:2:3:4:5:6:7となっている。このため、半導体層11eに発生するキャリアの量は、同一の輝度の光が照射された場合であってもサブフィールド毎に増えていくので、例えば、第2サブフィールドまでは、出力バッファ6に入力される信号電圧はハイレベル「1」、第3サブフィールドではローレベル「0」として、階調信号を得ることができる。また、同一の期間照射されても、輝度によって半導体層11eに発生するキャリアの量が増えていくので、例えば、同一サブフレームでも輝度4の光が照射された場合は信号電圧はハイレベル「1」、輝度5の光が照射された場合は、信号電圧はローレベル「0」となって、階調信号を得ることができる。
【0062】
以上説明したように、この実施の形態の撮像装置では、サブフィールド毎にトップゲート電極11aに印加する逆バイアス電圧の値を変えている。これにより、同一の輝度の光が照射された場合でも、サブフィールドによって出力バッファ6に出力される信号がハイレベルかローレベルか決まるので、ダブルゲートトランジスタ11から読み出す信号を2値レベルの信号として扱うことができる。これにより、データをデジタル量で扱うことができるので、アナログ増幅器が不要となり、省スペース、低コストの撮像装置を構成することができる。
【0063】
また、このようにダブルゲートトランジスタ11のオン/オフの2値でデータを取り扱うために、ダブルゲートトランジスタ11の特性のばらつきに影響されずに、多階調の画像信号を得ることが可能となる。
【0064】
[実施の形態の説明]
上記の第1の実施の形態では、第1〜第7サブフィールドでの逆バイアス電圧を印加する時間tw1、tw2、・・・、tw7の比を順に1:2:3:4:5:6:7としたが、7:6:5:4:3:2:1と逆にしてもよい。或いは、各サブフィールドにおいて逆バイアス電圧を印加する時間が互いに異なり、その比として1〜7のいずれかの値をとりうるものであれば、任意の順序とすることが可能である。
【0065】
上記の第2の実施の形態では、第1〜第7サブフィールドでの逆バイアス電圧V1、V2、V3、・・・、V7の絶対値を順に1:2:3:4:5:6:7としたが、図9に示すように、7:6:5:4:3:2:1と逆にしてもよい。或いは、各サブフィールドにおいて逆バイアス電圧の絶対値が互いに異なり、その比として1〜7のいずれかの値をとりうるものであれば、任意の順序とすることが可能である。
【0066】
上記の第1、第2の実施の形態では、1フレームを7つのサブフィールドに分割して、各サブフィールド毎の出力信号から3ビットの画像信号を読み出していた。しかしながら、本発明は、1フレームを複数のサブフィールドに分割して多階調の画像信号を得るすべての場合について適用することができる。すなわち、1フレームをn個(nは2以上の整数)のサブフィールドに分割すると、(n+1)階調の画像信号を得ることが可能となる。
【0067】
上記の第1の実施の形態では、サブフィールドに対応する撮像素子1の出力信号の重み付けに、ダブルゲートトランジスタ11への電荷の蓄積時間の長さを採用していた。上記第2の実施の形態では、ダブルゲートトランジスタ11のトップゲートに印加する電圧の大きさを採用していた。しかしながら、これらの両方を併用する場合など、サブフィールドに対応する撮像素子1の重み付けの方法は、上記の方法以外のものであっても構わない。
【0068】
上記の第1、第2の実施の形態では、フォトセンサとしてダブルゲートトランジスタ11を用いた撮像装置について説明した。しかしながら、本発明は他のフォトセンサを用いた撮像装置についても適用することができる。例えば、第1の実施の形態の駆動方法によれば、フォトダイオードをフォトセンサとして用いた撮像装置にも適用することができる。
【0069】
上記の実施の形態では、静止画を撮影するデジタルスチルカメラに用いられる撮像装置を例として説明した。しかしながら、本発明は、ビデオカメラなどの動画を撮影するものに対しても適用することが可能である。
【0070】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、デジタル量で階調信号を得ることができるので、アナログ増幅器が不要となり、省スペース低コストの撮像装置を構成することができる。
【0071】
また、本発明では、撮像素子のオン/オフによってのみ階調信号を得ているので、撮像素子の特性のばらつきに影響されずに、多階調の画像信号を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施の形態の撮像装置の構成を示すブロック図である。
【図2】図1のデータ処理装置の構成を示すブロック図である。
【図3】図2のデータ処理装置内に記憶されているデータ変換テーブルの例を示す図である。
【図4】図1の撮像素子にフォトセンサとして用いられているダブルゲートトランジスタの構成を示す断面図である。
【図5】(A)〜(D)は、図4のダブルゲートトランジスタの動作原理を説明する図である。
【図6】図4のダブルゲートトランジスタにおけるドレイン電流の値を示すグラフである。
【図7】本発明の第1の実施の形態における撮像素子の駆動波形を説明する図である。
【図8】本発明の第2の実施の形態における撮像素子の駆動波形を説明する図である。
【図9】本発明の第2の実施の形態の変形にかかる撮像素子の駆動波形を説明する図である。
【図10】従来例のダブルゲートトランジスタを用いた撮像装置における画像信号の読み出し動作を説明する図である。
【符号の説明】
1・・・撮像素子、2・・・コントローラ、3・・・トップゲートドライバ、4・・・ボトムゲートドライバ、5・・・セレクタ、6・・・出力バッファ、7・・・データ処理装置、10・・・センサアレイブロック、11・・・ダブルゲートトランジスタ、12・・・プリチャージスイッチ、13・・・コラムスイッチ、11a・・・トップゲート電極、11b・・・ボトムゲート電極、11c・・・ドレイン電極、11d・・・ソース電極、11e・・・半導体層、11f、11g・・・絶縁膜、、71・・・制御部、72・・・データメモリ、73・・・データ変換テーブル、74・・・データ変換部、75・・・補正テーブル、76・・・補正処理部、TL・・・トップゲートライン、BL・・・ボトムゲートライン、DL・・・データライン
Claims (6)
- 所定量の光の受光によってオンし、オン時とオフ時との2値レベルの信号を出力する撮像素子と、
1フレームを複数のサブフィールドに分割し、サブフィールド毎に前記撮像素子がオンするための受光光量を変化させる駆動手段と、
この駆動手段によってオンするための受光光量が変化させられた各サブフィールドにおける前記撮像素子の出力信号を取り込む取り込み手段と、
この取り込み手段によって取り込まれた各サブフィールドの前記撮像素子の出力信号を少なくとも1フレーム分記憶する記憶手段と、
この記憶手段に記憶された1フレーム分の前記撮像素子の出力信号に対応する画像信号を出力する出力手段と、を備える
ことを特徴とする撮像装置。 - 前記撮像素子は、同一の輝度の光を受光しても、光を受光する時間によってオンするための受光光量が変化する性質を有し、
前記駆動手段は、各サブフィールドの時間を変えることによって、サブフィールド毎に前記撮像素子がオンするための光の輝度を変化させる
ことを特徴とする請求項1に記載の撮像装置。 - 前記撮像素子は、印加される電圧によってオンするための受光光量が変化する性質を有し、
前記駆動手段は、サブフィールド毎に異なる電圧を前記撮像素子に印加する手段を有する
ことを特徴とする請求項1に記載の撮像装置。 - 前記撮像素子は、所定の電圧を印加したときに光が照射されることによって内部の半導体層にキャリアを発生させ、前記所定の電圧と逆極性の電圧を印加することによって半導体層に発生したキャリアを消滅させる第1のゲートと、所定の電圧を印加することによって前記半導体層に発生したキャリアを移動させて前記半導体層にチャネルを形成させる第2のゲートと、前記半導体層に接続され、前記半導体層に形成されたチャネルを通じて電流を流すドレイン及びソースとを備える電界効果トランジスタによって構成される
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。 - 撮像素子の駆動方法であって、
前記撮像素子は、所定量の光の受光によってオンし、オン時とオフ時との2値レベルの信号を出力するものであり、
1フレームを複数のサブフィールドに分割し、サブフィールド毎に前記撮像素子がオンするための受光光量を変化させる駆動ステップと、
この駆動ステップでオンするための受光光量が変化させられた各サブフィールドにおける前記撮像素子の出力信号を取り込む取り込みステップと、
この取り込みステップで取り込まれた各サブフィールドの前記撮像素子の出力信号を少なくとも1フレーム分保持する保持ステップと、
この保持ステップで保持された1フレーム分の前記撮像素子の出力信号に対応する画像信号を出力する出力ステップと、を含む
ことを特徴とする撮像素子の駆動方法。 - 所定量の光の受光によってオンし、オン時とオフ時との2値レベルの信号を出力する撮像素子の駆動方法であって、
前記撮像素子に光が照射されている期間に、前記撮像素子を第1の期間選択する第1の選択ステップと、
前記第1の選択ステップで選択されている前記撮像素子の選択信号を取り込む第1の取り込みステップと、
前記撮像素子を第2の期間選択する第2の選択ステップと、
前記第2の選択ステップで選択されている前記撮像素子の選択信号を取り込む第2の取り込みステップと、
前記第1、第2の取り込みステップは、前記撮像素子がオンするための受光光量が互いに異なっており、前記第1、第2の取り込みステップで取り込んだ前記撮像素子の出力信号に基づいて、前記撮像素子に照射された光照射量に対応する信号を出力するステップと、を含む
ことを特徴とする撮像素子の駆動方法。
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