JP5355026B2

JP5355026B2 - 撮像装置

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Publication number: JP5355026B2
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Inventors: 雄一郎山下
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Description

本発明は撮像装置に関し、具体的には画素毎もしくは複数の画素毎に増幅回路を有し、電子シャッタを用いた露光時間制御技術に関するものである。

ＣＭＯＳイメージセンサなどの名前で知られる、増幅型の撮像装置において、機械的な遮光手段を用いずに面内同時に蓄積の開始および終了を制御可能な、電子シャッタ技術が様々存在している。

特許文献１に記載の電子シャッタを有する構成においては、露光期間中に光電変換部で生成した電荷が保持部に移送され、露光終了後に光電変換部をリセット状態にして光電変換部で生成した電荷を排出することで電子シャッタ機能を実現している。

本技術は、光電変換部は基本的に光電変換に特化し、従来の露光中の電荷蓄積という機能は隣接した電荷保持部に持たせることで機能を分離した点が特徴である。この電荷保持部はＦＤ領域とは別に設けられるものである。光電変換部の飽和電荷数が少ないために、光電変換部から電荷保持部への転送が低電圧で済み、ＣＣＤなどに比べて、一般的なＣＭＯＳ製造プロセスもしくはその派生の製造プロセスなどの簡易なプロセスで製造できる。
特開２００６−２４６４５０号公報

特許文献１においては、露光終了後に光電変換部をリセット状態にしているので、リセット状態にしている期間中に生じた電荷の利用という観点で更に検討が必要となる。特に、特許文献１において、光電変換部と電荷保持部の間で生じる暗電子を抑制するために、その部位を埋め込みチャネル型トランジスタにし、表面ピニングと露光中の電子移送を両立させる例が記載されている。埋め込みチャネル構造のためにポテンシャル障壁の高さが表面チャネル型に比べて低くなってしまい、そのために電荷保持部の飽和電荷数の活用という観点で更に検討が必要であった。

これは埋め込みチャネル構造に限らず、光電変換部での電荷蓄積期間中に中間レベルパルス等を供給して電荷保持部へ電荷を転送する構成に対してもいえる。この場合は光電変換部での飽和電荷数の活用という観点で検討が必要となる。

本発明は、上記新たに発見された課題を鑑みなされたものであり、画素に光電変換部やＦＤ領域とは別に電荷保持部を有する構成において、高速シャッタの実現と、ダイナミックレンジ拡大の両立を可能とした撮像装置の実現を目的とする。

本発明は上記課題に鑑み、光電変換部と、前記光電変換部からの信号電荷を保持する電荷保持部と、前記光電変換部とオーバーフロードレイン領域との導通を制御する電荷排出手段と、前記電荷保持部で保持された電荷を転送する転送部と、を有する、行列状に配された複数の画素と、前記転送部により転送された電荷に基づく信号を増幅して読み出す増幅部と、前記光電変換部及び電荷保持部とをリセットするリセット部と、前記光電変換部への入射光量を制御するシャッタ手段と、前記転送部、リセット部及び電荷排出手段に駆動パルスを供給する走査部と、前記走査部に制御信号を供給して駆動モードを切り替え、前記シャッタ手段に制御信号を供給して前記光電変換部への入射光量を制御する制御部と、を有する撮像装置であって、前記制御部は、画像取得領域の複数の画素の前記光電変換部及び電荷保持部に対するリセット動作を同時に解除することにより信号電荷の生成期間を開始させ、所定期間経過後、前記画像取得領域の複数の画素の前記電荷排出手段を同時に導通させることにより、前記画像取得領域の複数の画素の光電変換部での信号電荷の生成期間を終了させた後、前記画像取得領域の複数の画素の電荷保持部の電荷を前記増幅部へ転送する、第１のモードと、前記シャッタ手段を開くことにより信号電荷の生成期間を開始し、所定期間経過後、前記シャッタ手段を閉じることにより信号電荷の生成期間を終了した後、前記画像取得領域の複数の画素の前記光電変換部及び電荷保持部で保持された電荷を前記増幅部へ転送する、第２のモードとを、切り替え可能であり、前記第２のモードは、前記シャッタ手段を閉じた後、前記画像取得領域の複数の画素の前記光電変換部及び前記電荷保持部で信号電荷を保持させることで、前記第１のモードに比べて前記画素における信号電荷の蓄積量が大きいことを特徴とする。

本発明によれば、高速シャッタと、ダイナミックレンジ拡大との両立が可能となる。

本発明の実施の形態について図面を用いて詳細に説明する。

まず以下の実施形態に共通に適用可能な、撮像システム９０の概略構成を、図１を用いて説明する。図１は、本発明に係る撮像装置９０の構成図である。

撮像システム９０は、主として、光学系、撮像センサ１００及び信号処理部を備える。光学系は、主として、撮影レンズ９２及び光電変換部への入射光量を制御するシャッタ手段として機能するメカニカルシャッタ９３を備える。信号処理部は、主として、撮像信号処理回路９５、Ａ／Ｄ変換器９６、画像信号処理部９７、メモリ部８７、外部Ｉ／Ｆ部８９、タイミング発生部９８、全体制御・演算部９９、記録媒体８８及び記録媒体制御Ｉ／Ｆ部９４を備える。なお、信号処理部は、記録媒体８８を備えなくても良い。

撮影レンズ９２は、入射した光を屈折させて、撮像センサ１００の画素配列ＰＡへ被写体の像を形成する。

シャッタ手段として機能するメカニカルシャッタ９３は、光路上において撮影レンズ９２と撮像センサ１００との間に設けられ、撮影レンズ９２を通過後に撮像センサ１００へ導かれる光の量を調節する。メカニカルシャッタ９３は、複数の遮光羽をそれぞれ含むメカ先幕（シャッタ幕）及びメカ後幕（別のシャッタ幕）を有している。メカニカルシャッタ９３は、メカ先幕及びメカ後幕がそれぞれ所定のタイミングで全体制御・演算部９９により駆動されて、開状態と閉状態とが切り替わる。撮像センサ１００は、画素配列ＰＡに形成された被写体の像を画像信号に変換する。画素配列ＰＡは、画素が行列状に配列されている。撮像センサ１００は、その画像信号を画素配列ＰＡから読み出して出力する。撮像信号処理回路９５は、撮像センサ１００に接続されており、撮像センサ１００から出力された画像信号を処理する。

Ａ／Ｄ変換器９６は、撮像信号処理回路９５に接続されており、撮像信号処理回路９５から出力された処理後の画像信号（アナログ信号）をデジタル信号へ変換する。

画像信号処理部９７は、Ａ／Ｄ変換器９６に接続されており、Ａ／Ｄ変換器９６から出力された画像信号（デジタル信号）に各種の補正等の演算処理を行い、画像データを生成する。この画像データは、メモリ部８７、外部Ｉ／Ｆ部８９、全体制御・演算部９９及び記録媒体制御Ｉ／Ｆ部９４などへ供給される。

メモリ部８７は、画像信号処理部９７に接続されており、画像信号処理部９７から出力された画像データを記憶する。

外部Ｉ／Ｆ部８９は、画像信号処理部９７に接続されている。これにより、画像信号処理部９７から出力された画像データを、外部Ｉ／Ｆ部８９を介して外部の機器（パソコン等）へ転送する。

タイミング発生部９８は、撮像センサ１００、撮像信号処理回路９５、Ａ／Ｄ変換器９６及び画像信号処理部９７に接続されている。これにより、撮像センサ１００、撮像信号処理回路９５、Ａ／Ｄ変換器９６及び画像信号処理部９７へタイミング信号を供給する。そして、撮像センサ１００、撮像信号処理回路９５、Ａ／Ｄ変換器９６及び画像信号処理部９７がタイミング信号に同期して動作する。

全体制御・演算部９９は、タイミング発生部９８、画像信号処理部９７及び記録媒体制御Ｉ／Ｆ部９４に接続されており、タイミング発生部９８、画像信号処理部９７及び記録媒体制御Ｉ／Ｆ部９４を全体的に制御する。

記録媒体８８は、記録媒体制御Ｉ／Ｆ部９４に取り外し可能に接続されている。これにより、画像信号処理部９７から出力された画像データを、記録媒体制御Ｉ／Ｆ部９４を介して記録媒体８８へ記録する。

以上の構成により、撮像センサ１００において良好な画像信号が得られれば、良好な画像（画像データ）を得ることができる。

次に、撮像装置９０における撮像センサ１００及びメカニカルシャッタ９３の動作を、図２を用いて説明する。図２は、撮像センサ１００及びメカニカルシャッタ９３の配置を示す図である。

図２には、撮像センサ１００において撮像レンズ９２に向く面と、メカニカルシャッタ９３の一部であるメカ後幕とが示されている。すなわち、撮像センサ１００において撮像レンズ９２に向く面には、画素配列ＰＡが配されている。画素配列ＰＡでは、各画素の光電変換部に対応した部分が開口されており、光を取り込めるようになっている。一方、図２では、メカニカルシャッタ９３において、メカ先幕（図示せず）が上から下へ完全に縮んで開いており、メカ後幕１０１が上から先端位置１０８まで伸びて画素配列ＰＡを部分的に覆っている状態が示されている。すなわち、メカニカルシャッタ９３において、メカ先幕及びメカ後幕１０１は、筐体の上面から下面へ向かう矢印１０６で示す方向に走行する。

メカニカルシャッタ９３は、制御部として機能する全体制御・演算部９９から供給された制御信号を受けて光電変換部への入射光量を制御する。

次に、本発明の撮像装置を構成する撮像センサのブロック図及び等価回路図に関して図３、４を用いて説明する。図１、２と同様の機能を有するものには同様の符号を付し詳細な説明は省略する。

図１において、画素配列ＰＡには画素が行列状に配置されている。３０１は垂直走査部である。画素配列の画素を画素行ごともしくは複数の画素行ごとに走査可能である。シフトレジスタもしくはデコーダを用いて構成することができる。

３０２は列回路である。画素領域ＰＡから垂直走査部３０１の走査によって読み出された信号に対して所望の処理を行なう。例えば、画素のノイズ等を抑制するＣＤＳ回路や、画素からの信号を増幅する増幅部、画素からのアナログ信号をデジタル変換するＡＤ変換部等を含んで構成される。ＡＤ変換部を含む場合には図１で説明したＡＤ変換器９６を設ける必要は無い。

３０３は水平走査部である。列回路で所望の処理を施された信号を外部に読み出すために画素列毎もしくは複数の画素列毎に順次走査する。シフトレジスタもしくはデコーダを用いて構成される。

３０４，３０５は、それぞれ、垂直走査部、及び水平走査部の制御端子である。ここでは１つの端子で表現しているが、機能に応じて１つ以上の端子数であることもあり得る。

垂直走査部３０１及び水平走査部３０２はタイミング発生部９８を介して制御部９９からの制御信号を制御端子３０４，３０５に受けて撮像センサ１００の駆動パターンを切り替え可能である。本例では撮像センサ１００と別体で制御部９９を設けたが場合によっては撮像センサ１００内に設けることもできる。

各構成部間には光信号もしくは駆動信号等を伝達する配線が存在するがここでは省略している。

図４は画素配列ＰＡに配された画素の等価回路図である。説明の簡略化のために画素は３行×３列の計９画素での領域を例に取っているが、画素の数をこれに限定するものではない。

１は光電変換部として機能するフォトダイオード（ＰＤ）である。ＰＤのアノードは固定電位（例えば接地）に接続され、カソードは第１の転送部として機能する第１転送スイッチ８を介して電荷保持部ＭＥＭの一方の端子に接続される。カソードはさらに第３の転送部である第３転送スイッチ１３を介してオーバーフロードレイン（以下、ＯＦＤ）として機能する第２の電源である電源線と接続される。第３転送スイッチは光電変換部とＯＦＤとの導通を制御する電荷排出手段として機能する。

電荷保持部ＭＥＭの他方の端子は固定電位（例えば接地）に接続されている。電荷保持部ＭＥＭの一方の端子はさらに第２の転送部である第２転送スイッチ９を介してフローティングディフュージョン（ＦＤ）領域４と接続されている。ＦＤ領域は増幅部の一部として機能する増幅トランジスタ１２のゲート端子に接続される。増幅トランジスタのゲートは増幅部の入力部として機能する。増幅トランジスタ１２のゲート端子はリセット部として機能するリセットトランジスタ１０を介して画素電源線に接続される。図４では、ＯＦＤとして機能する電源線と画素電源線とを分けているが、これらは共通の電源に接続されてもよいし、異なる電源に接続されてもよい。またＯＦＤ領域は光電変換部の横方向（ＬＯＦＤ：ＬａｔｅｒａｌＯｖｅｒＦｌｏｗＤｒａｉｎ）に設けてもよいし、垂直方向（ＶＯＦＤ：ＶｅｒｔｉｃａｌＯｖｅｒＦｌｏｗＤｒａｉｎ）に設けてもよい。

各転送スイッチとしてはＭＯＳトランジスタを用いることができる。各転送スイッチは垂直走査部３０１からの駆動パルスにより制御される。

選択部として機能する選択トランジスタ１１は一方の主電極であるドレイン端子が画素電源線に、他方の主電極であるソース端子が増幅トランジスタ１２の一方の主電極であるドレインと接続されている。選択トランジスタ１１を導通状態とする駆動パルスが入力されると、増幅トランジスタ１２は垂直信号線ＯＵＴに設けられた不図示の定電流源とでソースフォロワ回路を形成する。そして、増幅トランジスタ１２の制御電極であるゲート端子の電位に応じた信号が垂直信号線ＯＵＴに現われる。垂直信号線ＯＵＴに現われた信号に基づいて固体撮像装置から信号が出力され、信号処理回路部などを経て画像信号を形成する。

図４では各画素にリセット部、増幅部、選択部を設けたが、複数の光電変換部でこれらの構成を共有することも可能である。また選択部を設けずに、増幅部の入力部の電位により画素を選択するような構成とすることも可能である。

本発明は、光電変換部とＦＤ領域との間に電荷保持部を有する構成に適用するものである。

特に好ましくは光電変換部と電荷保持部との間の電荷経路の構造に下記特徴を有する構成、つまり、第１転送部が非導通状態となるローレベルパルスが供給されている状態で、光電変換部から電荷保持部へ電荷を転送可能な構造を用いることが望ましい。

例えば具体的な構成としては、第１転送部をＭＯＳトランジスタであるとすると、このＭＯＳトランジスタが埋め込みチャネル構造である。そして、非導通状態であっても表面よりも深い部位にエネルギー障壁がその部位だけが一部低くなっている部分が存在している構成である。この場合には電荷転送部は、信号電荷を蓄積中に積極的な制御を行わずに一定の電圧が供給された状態とすることもできる。つまり転送部としての機能を有さずとも固定のポテンシャル障壁を設けても良い。そして、蓄積終了直前に、そのエネルギー障壁の高さを低くする制御を行い、光電変換部に残った電子を電荷保持部に転送する。その後速やかにエネルギー障壁の高さを非導通状態に戻す。

このような構成によれば、光電変換部に光が入射した際に光電変換により生成した信号電荷のほぼ全てが光電変換部で蓄積されることなく電荷保持部へ転送可能となる。したがって、全ての画素に含まれる光電変換部において電荷の蓄積時間を揃えることが可能となる。また、ＭＯＳトランジスタが非導通時においてはチャネル表面にホールが蓄積されており、かつ電荷が転送されるチャネルが表面よりも所定深さの部分に存在するため、絶縁膜界面における暗電流の影響を低減することが可能となる。

別の観点でいうと、光電変換部及び電荷保持部で信号電荷を蓄積している期間において、光電変換部と電荷保持部の間の電荷経路のポテンシャルが光電変換部とＯＦＤ領域との間の電荷経路のポテンシャルよりも低いともいえる。ここでのポテンシャルとは信号電荷に対してのポテンシャルである。且つ、特に好ましくは、電荷保持部が電荷結合素子で形成されている。更に、電荷保持部で信号電荷を蓄積している期間において、絶縁膜を介した対向電極に電圧を与えて電荷保持部の表面に信号電荷と逆極性の電荷を蓄積させる。これにより、電荷保持部が形成される半導体表面での暗電子の生成を抑制することが望ましい。

このような構成によれば、電荷保持部起因の暗電流をさらに低減することが可能となる。

さらに駆動の観点では、１露光期間中に光電変換部から電荷保持部に移動してきた電荷を電荷保持部において保持し、画像信号として用いている。つまり、光電変換部での１露光期間を開始後、電荷保持部のリセット動作を介することなく画素外部へ信号を読み出しているともいえる。なお１露光期間とは１フレームの画像を撮影する際に、各光電変換部で共通に決定されるものである。

以下、本発明の具体的構成、駆動方法に関して説明する。なお、その際の画素構成の例は、第１転送部が埋め込みチャネル型のＭＯＳトランジスタであり、かつ、電荷保持部が電荷結合素子で形成された構成を元にする。

（第一の実施例）
本撮像装置は少なくとも二つのモードを備えており、その撮影モードは図１の制御部９９から、少なくとも図３の垂直走査部３０１に供給される供給信号により制御される。および水平走査部３０２に供給信号を選択することで制御される。

第一の実施例を図５、図６を用いて説明する。図５は、第１のモードのタイミング図であり、メカニカルシャッタ９３を用いずに、撮像センサの駆動を電気的に制御してシャッタを実現する手段（以下、電子シャッタ）を用いて露光時間を制御した例である。図６は、第２のモードのタイミング図であり、メカニカルシャッタ９３を用いて露光時間を制御した例である。

まずは電子シャッタによる露光制御を図５を用いて説明する。メカニカルシャッタは露光時間制御に使われないので、その動作は任意である。ゆえに図において露光時間と示された時間を内包する形でメカニカルシャッタは開放（露光状態）になっていればよい。望ましくは、画質を優先する際には露光終了後に入射する光による電子シャッタ動作時の漏れ光の影響を防ぐために、露光終了後速やかにメカニカルシャッタを閉じる（遮光状態）にすることが好ましい。また、連写速度を上げるためには、メカニカルシャッタを開放状態にすることで常に露光可能な状態にし、メカニカルシャッタの動作速度に依存しないよう次の撮影に速やかに移行することが好ましい。

任意の時刻において導通状態になった各行のＰＴＸ１、ＰＴＸ２及びＰＴＸ３パルスを時刻Ｔ１で画像取得領域に含まれる画素群に対して同時に非導通とする。その時点で画像取得領域に含まれる画素群の光電変換部及び電荷保持部に対するリセット動作が解除され信号電荷の生成期間が開始する。

所定期間経過後に、時刻Ｔ２でＰＴＸ１を導通させ、光電変換部に残った電荷を電荷保持部に転送した後に、時刻Ｔ３でＰＴＸ３を画素群に含まれる画素に対して同時に導通させ、それ以降に光電変換により生じた電荷をオーバーフロードレイン領域に排出する。この動作により信号電荷の生成期間が終了する。ここで光電変換部には光が入射しているため電荷は生成しているが、画像形成用として用いられずにＯＦＤ領域に排出されるため、この動作により信号電荷の生成期間は終了となる。

その後、画像取得領域に含まれる各画素行毎にＴ４、Ｔ５、Ｔ６でそれぞれＰＲＥＳ、ＰＳＥＬ、ＰＴＸ２を制御することにより、電荷保持部の電荷を線順次に増幅部へ転送する。

リセット動作の解除から、ＰＴＸ３を導通させるまでは、すべて電気的手段によって制御されるので、マイクロ秒オーダーでの非常に高速な制御が可能になる。

ここで、各画素行の読みだしの際に、隣接画素、隣接同色画素などとの加算をしながら読み出してもよい。

次に第２のモードであるメカニカルシャッタによる露光制御を図６を用いて説明する。

まずはＰＴＸ１およびＰＴＸ２を時刻Ｔ１で非導通とし、画素でのリセット動作を解除し、光電変換により生じた信号電荷を光電変換部及び電荷保持部で蓄積可能な状態とする。その際に、信号電荷の生成期間はメカニカルシャッタで決定されるので、ＰＴＸ１およびＰＴＸ２を非導通とするタイミングは任意でよい。本実施例では同時としているが画素行毎でも良い。その後速やかに、時刻Ｔ２でメカニカルシャッタを開くことにより、信号電荷の生成期間を開始する。所定期間経過後、時刻Ｔ３でメカニカルシャッタを閉じ、信号電荷の生成期間を終了する。光電変換部及び電荷保持部を信号電荷の保持に用いるので、ＰＴＸ３は全行にわたって、非導通状態を保っている。

その後、各行毎に、時刻Ｔ４、Ｔ５、Ｔ６において、ＰＳＥＬ、ＰＲＥＳ、ＰＴＸ１、ＰＴＸ２を制御することにより、光電変換部と電荷保持部の電荷を線順次に増幅部へ転送する。

次に、電子シャッタ動作（上記第１のモード）と、メカニカルシャッタ動作（上記第２のモード）における、各画素のポテンシャルを図示し、飽和電荷がメカニカルシャッタ動作において増加する原理を述べる。

図７は、電子シャッタ動作時のポテンシャルである。図５の時刻Ｔ１において、図７（ａ）の状態から図７（ｂ）の状態に移行し、リセット動作からリセット解除状態とする。

時刻Ｔ２から信号電荷の生成期間が開始されると、図７（ｃ）のように、光電変換部に信号電荷が蓄積し始める。電荷保持部は画素毎の遮光膜などで別途遮光されているので漏れ光以外での信号電荷は生じない。光電変換部にある程度信号電荷が蓄積されると、図７（ｄ）に示すように、光電変換部に蓄積した信号電荷にとって最もポテンシャル障壁が低い電荷保持部へ向かって電荷が移送され、電荷保持部で信号電荷が蓄積され始める。

時刻Ｔ２においてＴＸ１により生じるポテンシャル障壁を一時的に低下させ、図７（ｅ）のように光電変換部に残った信号電荷を電荷保持部に完全転送する。

その後、ＴＸ３を導通させることで、図７（ｆ）の状態になり、この後に光電変換部に到達した光により生じた電荷は電荷保持部に転送されることなく全てＯＦＤ領域へと排出される。次に、読み出し行は、図７（ｇ）、図７（ｈ）で示すように、ＴＸ２を導通、非導通と切り替えて、電荷保持部に蓄積された電荷を増幅部へ転送する。

ここで、図７（ｆ）のポテンシャル図に示すように、ＴＸ１のポテンシャル障壁が他の表面チャネル型のＭＯＳトランジスタで構成される電荷経路と同等であったとする。この場合には５０１の点線で示す高さまで電荷保持部では電荷保持が可能である。しかし、ＴＸ１が埋め込みチャネル型トランジスタのため、ＴＸ１のポテンシャル障壁の高さ以上に保持された信号電荷は光電変換部を介してＯＦＤ領域に排出されてしまい、５０２の点線が電荷保持部の電荷保持量の上限となる。

次にメカニカルシャッタ動作に関して説明する。図８は、メカニカルシャッタ動作時のポテンシャルである。メカニカルシャッタの開閉を図示するために、ポテンシャル図上に黒い遮蔽物を図示し、光電変換部上の遮蔽がある時が遮光状態、無いときが光電変換部に光が入射している状態を示している。

メカニカルシャッタにより光電変換部が遮光状態にあるとき、図８（ａ）のようにＰＲＥＳが導通した状態で、ＴＸ１、ＴＸ２、ＴＸ３を導通させ、光電変換部と電荷保持部をリセットする。その後、時刻Ｔ１に対応する図８（ｂ）の時点でリセット動作を解除する。その後、時刻ｔ２においてメカニカルシャッタを開状態とし、光電変換部での信号電荷の生成期間を開始する。強い光が光電変換部へ入射した場合の最大保持電荷数は、図８（ｄ）のように、ＴＸ１のポテンシャル障壁の高さによらず、ＴＸ２とＴＸ３のポテンシャル障壁の高さで決まる。

その後、時刻Ｔ３で図８（ｅ）のようにメカニカルシャッタにより光電変換部を遮光状態にし、ＴＸ３は非導通状態のまま、ＴＸ１とＴＸ２を駆動し、図８（ｆ）、図８（ｇ）に示すように電荷を増幅部へ転送する。

ここで、図８（ｅ）に示すように、信号電荷の蓄積量が、ＴＸ３（もしくはＴＸ１）のポテンシャル障壁の高さ、および電荷保持部と光電変換部のポテンシャル深さで決定される。各部位での電荷保持能力が図７の電子シャッタ動作に比べてポテンシャル障壁が増したために増加する。且つ電荷保持部に加えて光電変換部においても信号電荷を保持することが可能となったため、６０１で示した斜線の領域の分だけ、原理的に電荷保持能力が増加する。経験的には、１．３倍〜１．５倍の電荷保持能力の向上が考えられる。これは、最大１．５倍の輝度を有する被写体でもパターンが真っ白につぶれることなく撮影できることを意味する。

本実施例の効果を説明する。電子シャッタ動作においては、全ての制御を電気的に行うので、非常に高速な露光制御を行うことができ、かつ、次の撮影への移行も電気的に行えるので、高速シャッタ、および、高速連写という機能が実現できる。したがって動体撮影の時に特に有用である。メカニカルシャッタ動作においては、電荷保持部と光電変換部の両者を電荷の保持に用いることが可能となるので、非常に高い飽和電荷量を実現できる。一つの撮像装置で、高速シャッタと高速連写を優先する第１のモードと、高い飽和電荷量を優先する第２のモードとを駆動モードを切り替えることにより実現することが可能となった。これは例えば、第１のモードを動画撮影、第２のモードを静止画撮影などとすることができる。また第２のモードはダイナミックレンジ拡大が優先されるモードにおいても好適に用いられる。

なお、本例では、ＴＸ１を構成するＭＯＳトランジスタが埋め込み型であることを仮定した。しかしながらこれに限定されるものではなく、ＴＸ１が、他のＴＸ２やＴＸ３と同様の表面型だとして、ポテンシャル障壁の高さがＴＸ２やＴＸ３と同等だとしても、本実施例の効果は得られる。なぜならば、電子シャッタ動作では犠牲にしていた光電変換部での電荷保持能力を、メカニカルシャッタ動作時には有効に活用することができるようになるためである。

なお、飽和電荷量が、撮影モードで異なることから、読み出し回路での回路飽和の懸念があるが、読み出し回路にゲイン可変の増幅部を設け、ゲインを撮影モード毎に変えることで対応可能である。また、画素のソースフォロアの入力ダイナミックレンジが足りない場合は、画素のフローティングディフュージョンの容量値を動的に制御する手段などを用いても良い。

（第二の実施例）
本実施例に示す撮像装置は、第一の実施例の二つの駆動モードに加えて、図９に示すライン露光モード（第３のモード）をさらに有する。その動作を図９を用いて説明する。この第３のモードは図１の制御部９９からの制御信号により設定可能である。

ライン露光モードにおいては、画像取得領域に含まれる画素群のうち、画素行毎に光電変換部と電荷保持部をリセットした後にリセットを解除し、所定期間経過後、電荷保持部と光電変換部の信号電荷を画素行毎に増幅部へ順次転送する。

本モードにおける信号電荷生成期間は、各行の読み出しから、次の読み出しまでの時間で決定される。たとえば１行目の信号電荷生成期間は時刻Ｔ１から時刻Ｔ２の期間７０１で決められる。前のフレームの読み出しの行毎の時間差にあわせる形で、次の行の読み出し時刻をずらし、行毎の信号電荷生成期間を７０１と同等にそろえることで、全画面で同一の生成時間とすることができる。

もし、フレームの読み出しから、次の読み出し期間までの時間よりも短い時間に蓄積時間を設定したい場合は、読み出しの間に行ごとに光電変換部及び電荷保持部のリセットを入れても良い。その際は、各行のリセットの時間差は、各行の読み出し時間差とあわせることが好ましい。

本実施例特有の効果を説明する。電子シャッタ動作においては、露光を終了した後、電荷が読み出されるまでに光電変換部をリセットしておかなければならないので、動画を撮影する場合、原理的に露光が行えない期間が存在する。動画中にそのような期間が存在すると、動体を撮影した場合に動きが不連続に見えてしまう。また、メカニカルシャッタ動作においては、事実上動画撮影が行えない。

本実施例の第３の駆動モードを更に有することにより、各行のリセット解除を、前フレームの画像の読み出し時で規定するか、もしくはその読み出し時に近接することで、原理的に露光が行えない時間をほぼゼロにすることができるようになる。

つまり、高速シャッタ・高速連写を優先した撮影、高い飽和電荷量を優先した撮影に加えて、高画質な動画撮影や電子ビューファインダー機能が併せて可能となる。

（第三の実施例）
本実施例に示す撮像装置は、メカニカルシャッタを利用した高い飽和量を優先させながら、信号電荷生成期間の開始時刻を電気的に制御するモード（第４のモード）を有する。これにより、動画取得から静止画撮影への移行を高速に行うことを可能とした構成である。この第４のモードは図１の制御部９９からの制御信号により設定可能である。

本実施例を図１０のタイミング図を用いて説明する。具体的には、リセット解除を時刻Ｔ１において画像取得領域に含まれる画素群に対して同時に行い、信号電荷生成期間を開始した後、その終了は時刻Ｔ２においてメカニカルシャッタで決定したことが異なる。具体的には、光電変換部に光が入射した状態において光電変換部と電荷保持部をリセットした後にリセット解除し、その後、光電変換部を遮光状態にした後に、電荷保持部と光電変換部の信号電荷を行毎に増幅部へ順次転送する。

なお、ここで、メカニカルシャッタは、レンズシャッタと呼ばれる、全画素の遮光のタイミングが同時なものを例として用いることができる。たとえばフォーカルプレーンシャッタのような、光電変換部の遮光期間が行毎に異なるようなメカニカルシャッタを用いた場合は、その走行速度をあらかじめ記憶しておき、行あたりの露光時間が同じになるようにリセット解除時刻をずらせばよい。

本実施例特有の効果を説明する。本実施例の第４のモードを更に有することにより、第１、第２の実施例で得られた効果に加えて、電子ビューファインダーや動画撮影のような、ライン露光モードの状態から、速やかにメカニカルシャッタを用いた静止画撮影に移行することができるようになる。また、電子シャッタによる高速撮影ののち、速やかにメカニカルシャッタを利用した撮影に移行することが可能となる。限りなく近接した時間で、同一被写体に対して、高速シャッタによる撮影と、高い飽和電荷量を優先させた撮影の二回の撮影を行うことができ、使用者が好みの撮影結果を選択することができるようになる。

以上、本発明を実施例を挙げて説明したが、各実施例は発明の範囲を超えない限りで適宜変更、組み合わせは可能である。

本発明の撮像装置のブロック図である。本発明の撮像装置のシャッタ手段による遮光状態を示す図である。本発明の撮像センサのブロック図である。本発明の撮像センサの等価回路図である。第１の実施例の第１のモードの駆動タイミング図である。第１の実施例の第２のモードの駆動タイミング図である。第１のモード時のポテンシャル図である。第２のモード時のポテンシャル図である。第２の実施例の第３のモードの駆動タイミング図である。第３の実施例の第４のモードの駆動タイミング図である。

符号の説明

１光電変換部
２電荷保持部
９転送部
１０リセット部
１２増幅部
９３シャッタ手段
９９制御部
３００走査部

Claims

光電変換部と、
前記光電変換部からの信号電荷を保持する電荷保持部と、
前記光電変換部とオーバーフロードレイン領域との導通を制御する電荷排出手段と、
前記電荷保持部で保持された電荷を転送する転送部と、を有する、行列状に配された複数の画素と、
前記転送部により転送された電荷に基づく信号を増幅して読み出す増幅部と、
前記光電変換部及び電荷保持部とをリセットするリセット部と、
前記光電変換部への入射光量を制御するシャッタ手段と、
前記転送部、リセット部及び電荷排出手段に駆動パルスを供給する走査部と、
前記走査部に制御信号を供給して駆動モードを切り替え、前記シャッタ手段に制御信号を供給して前記光電変換部への入射光量を制御する制御部と、を有する撮像装置であって、
前記制御部は、
画像取得領域の複数の画素の前記光電変換部及び電荷保持部に対するリセット動作を同時に解除することにより信号電荷の生成期間を開始させ、所定期間経過後、前記画像取得領域の複数の画素の前記電荷排出手段を同時に導通させることにより、前記画像取得領域の複数の画素の光電変換部での信号電荷の生成期間を終了させた後、前記画像取得領域の複数の画素の電荷保持部の電荷を前記増幅部へ転送する、第１のモードと、
前記シャッタ手段を開くことにより信号電荷の生成期間を開始し、所定期間経過後、前記シャッタ手段を閉じることにより信号電荷の生成期間を終了した後、前記画像取得領域の複数の画素の前記光電変換部及び電荷保持部で保持された電荷を前記増幅部へ転送する、第２のモードとを、切り替え可能であり、
前記第２のモードは、前記シャッタ手段を閉じた後、前記画像取得領域の複数の画素の前記光電変換部及び前記電荷保持部で信号電荷を保持させることで、前記第１のモードに比べて前記画素における信号電荷の蓄積量が大きいことを特徴とする撮像装置。
光電変換部と、
前記光電変換部からの信号電荷を保持する電荷保持部と、
前記光電変換部とオーバーフロードレイン領域との導通を制御する電荷排出手段と、
前記電荷保持部で保持された電荷を転送する転送部と、を有する、行列状に配された複数の画素と、
前記転送部により転送された電荷に基づく信号を増幅して読み出す増幅部と、
前記光電変換部及び電荷保持部とをリセットするリセット部と、
前記光電変換部への入射光量を制御するシャッタ手段と、
前記転送部、リセット部及び電荷排出手段に駆動パルスを供給する走査部と、
前記走査部に制御信号を供給して駆動モードを切り替え、前記シャッタ手段に制御信号を供給して前記光電変換部への入射光量を制御する制御部と、を有する撮像装置であって、
前記制御部は、
画像取得領域の複数の画素の前記光電変換部及び電荷保持部に対するリセット動作を同時に解除することにより信号電荷の生成期間を開始させ、所定期間経過後、前記画像取得領域の複数の画素の前記電荷排出手段を同時に導通させることにより、前記画像取得領域の複数の画素の光電変換部での信号電荷の生成期間を終了させた後、前記画像取得領域の複数の画素の前記電荷保持部の電荷を前記増幅部へ転送する、第１のモードと、
前記シャッタ手段を開くことにより信号電荷の生成期間を開始し、所定期間経過後、前記シャッタ手段を閉じることにより信号電荷の生成期間を終了した後、前記画像取得領域の複数の画素の前記光電変換部及び電荷保持部で保持された電荷を前記増幅部へ転送する、第２のモードと、を切り替え可能であり、
前記第１のモードでは、前記信号電荷の生成期間を終了させた後前記電荷保持部で信号電荷を保持させる期間において、前記画像取得領域の複数の画素の前記電荷排出手段を導通状態として、前記光電変換部で生じた電荷を前記オーバーフロードレイン領域へ排出させており、
前記第２のモードでは、前記シャッタ手段を閉じた後、前記光電変換部及び前記電荷保持部で信号電荷を保持させる期間において、前記電荷排出手段が非導通状態であることを特徴とする撮像装置。
更に、前記制御部は、
前記画像取得領域に含まれる画素群に含まれる画素行毎に前記光電変換部と前記電荷保持部をリセットした後にリセットを解除し、所定期間経過後、前記電荷保持部と前記光電変換部で保持された信号電荷を前記画素行毎に前記増幅部へ順次転送する第３のモードを設定可能であることを特徴とする請求項１または２のいずれかに記載の撮像装置。
更に、前記制御部は、
前記光電変換部に光が入射した状態において前記光電変換部と前記電荷保持部をリセットした後にリセット解除し、その後、前記光電変換部を遮光状態にした後に、前記電荷保持部と前記光電変換部の信号電荷を行毎に前記増幅部へ順次転送する第４のモードを設定可能であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の撮像装置。
前記光電変換部と前記電荷保持部との間の電荷経路は、埋め込みチャネル型のＭＯＳトランジスタからなることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の撮像装置。
前記第２のモードにおいて、前記光電変換部及び前記電荷保持部での信号電荷生成期間中における、前記光電変換部と前記電荷保持部との間の電荷経路の信号電荷に対するポテンシャル障壁に比べて、前記光電変換部と前記オーバーフロードレイン領域との間の電荷経路の信号電荷に対するポテンシャル障壁が高いことを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の撮像装置。
前記第２のモードにおいて、前記シャッタ手段を開く前に、前記画像取得領域に含まれる複数の画素の前記光電変換部及び前記電荷保持部をリセットすることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の撮像装置。
前記光電変換部及び前記電荷保持部をリセットする動作は、前記画像取得領域に含まれる前記リセット部及び前記電荷排出手段を導通することにより行なうことを特徴とする請求項７に記載の撮像装置。
前記シャッタ手段はメカニカルシャッタであることを特徴とする請求項１〜８のいずれか１項に記載の撮像装置。
前記シャッタ手段は遮光羽根であることを特徴とする請求項１〜８のいずれか１項に記載の撮像装置。