JP5625284B2 - 固体撮像装置、固体撮像装置の駆動方法および電子機器 - Google Patents
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Description
光電変換で生成した電荷を蓄積する光電変換部と
前記光電変換部の電荷を第1の蓄積部に転送する第1の転送機構と、
前記第1の蓄積部の電荷を第2の蓄積部に転送する第2の転送機構と、
前記第2の蓄積部の電荷に応じた信号を信号線に読み出す読出し機構と、
前記第2の蓄積部をリセットするリセット機構と
を有する単位画素が行列状に2次元配置された固体撮像装置において、
前記光電変換部をリセットし、
その後前記第1の転送機構によって前記光電変換部の電荷を前記第1の蓄積部に転送し、
その後前記第2の転送機構および前記読出し機構によって前記第1の蓄積部の電荷に応じた第1の信号を前記信号線に読み出し、次いで前記第1の転送機構、前記第2の転送機構および前記読出し機構によって前記光電変換部の電荷に応じた第2の信号を前記信号線に読み出すように画素を駆動する
構成を採っている。
前記光電変換部にはメカニカルシャッタを通して光を入射させ、
前記メカニカルシャッタの開状態において前記光電変換部を全画素同時にリセットし、次いで前記第1の転送機構によって前記光電変換部の電荷を全画素同時に前記第1の蓄積部に転送し、
しかる後、前記メカニカルシャッタの閉状態において前記画素アレイ部の各画素を行単位で順に選択し、前記第2の転送機構および前記読出し機構によって前記第1の信号を前記信号線に読み出し、次いで前記第1の転送機構、前記第2の転送機構および前記読出し機構によって前記第2の信号を前記信号線に読み出しつつ走査する。
このとき、第1の信号の露光期間は前記全画素同時のリセットから前記全画素同時の前記第1の蓄積部への転送までの期間となる。また、第2の信号の露光期間は、引き続いて前記メカニカルシャッタを閉じるまでの期間となる。
これにより、1つの単位画素から露光期間が異なる、即ち感度が異なる第1,第2の信号が得られる。また、全画素の露光期間の同時性が確保されている。
1.本発明が適用される固体撮像装置(CMOSイメージセンサの例)
1−1.システム構成
1−2.画素構成
2.本発明(実施形態)の特徴部分
3.本発明による電子機器(撮像装置の例)
3−1.システム構成
3−2.動画モード
3−3.静止画モード
3−4.本実施形態の作用効果
[1−1.システム構成]
図1は、本発明が適用される固体撮像装置、例えばX−Yアドレス型固体撮像装置の一種であるCMOSイメージセンサのシステム構成の概略を示すシステム構成図である。ここで、CMOSイメージセンサとは、CMOSプロセスを応用して、または部分的に使用して作成されたイメージセンサである。
(回路構成)
図2は、単位画素の構成の一例を示す回路図である。図2に示すように、本構成例に係る単位画素20は、光電変換部である例えばフォトダイオード21に加えて、例えば電荷蓄積部22、転送トランジスタ23、リセットトランジスタ24、選択トランジスタ25および増幅トランジスタ26を有する構成となっている。
図3は、フォトダイオード21からFD部27にかけての断面構造の概略を示す断面図である。図3において、図2と同等部分(対応する部分)には同一符号を付して示している。
上記構成の単位画素20は、フォトダイオード21とFD部27の間に一時的に信号電荷を蓄積(保持)する電荷蓄積部22を有することを特徴としている。単位画素20に電荷蓄積部22を設ける技術は、周知の技術である(例えば、特開平11−177076号公報参照)。
電荷蓄積部22を有する単位画素20では、フォトダイオード21の信号電荷を電荷蓄積部22に読み出した後、フォトダイオード21から電荷蓄積部22に電荷が溢れ、あらかじめ保持している電荷蓄積部22の電荷量を変えてしまうという不具合がある。
本発明の一実施形態に係る固体撮像装置、例えばCMOSイメージセンサは、単位画素20が電荷蓄積部22を有し、当該CMOSイメージセンサの撮像面にはメカニカルシャッタを通して入射光が取り込まれることを前提とする。そして、メカニカルシャッタによってグローバルシャッタを実現する一方、電荷蓄積部22を用いることによってダイナミックレンジの拡大を図る。
[3−1.システム構成]
次に、本実施形態に係る固体撮像装置をメカニカルシャッタとの組合せで用いる本発明による電子機器について説明する。ここでは、電子機器として撮像装置、例えばデジタルスチルカメラの場合を例に挙げて説明するものとする。
次に、上記構成の撮像装置、即ちデジタルスチルカメラにおけるモニタリングモードなどの動画モード時の動作について、図2の画素回路を基に説明する。
ここで、広ダイナミックレンジ化のための合成処理の一例について説明する。図8に、広ダイナミックレンジ化のための合成処理を行う合成処理部60の構成の一例を示す。
合成信号=FD信号×β+PD信号×α×(1−β)
なる式で表わされる。
(1)FD信号≦aのときは、
合成信号=FD信号
(2)b≦FD信号
合成信号=PD信号×感度比α
(3)a<FD信号<b
合成信号=FD信号×β+PD信号×α×(1−β)
次に、静止画モード時の動作について図2の画素回路を基に説明する。静止画の場合、動く物体について歪みが発生することが大きな問題となる。したがって、各画素の露光時間に関して同時性を確保する必要がある。本実施形態では、露光時間の同時性の確保についてはメカニカルシャッタによるシャッタ動作を用いる。そして、電荷蓄積部22については、グローバルシャッタ動作を実現するためではなく、ダイナミックレンジを拡大する目的で用いることを特徴としている。
上述したように、単位画素20がフォトダイオード21とFD部27の間に電荷蓄積部22を有するCMOSイメージセンサ10において、電荷蓄積部22を用いることによってダイナミックレンジを拡大することができる。具体的には、電荷蓄積部22を利用して感度の異なる複数の信号を得て、これら複数の信号を合成処理することによって広ダイナミックレンジ化を図ることができる。静止画撮像時の画面内の露光期間の同時性についてはメカニカルシャッタ513によるシャッタ動作によって確保できる。
Claims (14)
- メカニカルシャッタを通して入射する光を光電変換して生成した電荷を蓄積する埋込みフォトダイオードから成る光電変換部、前記光電変換部の電荷を第1の蓄積部に転送するCCD構成の第1の転送機構、前記第1の蓄積部の電荷を第2の蓄積部に転送する第2の転送機構、前記第2の蓄積部の電荷に応じた信号を信号線に読み出す読出し機構、及び、前記第2の蓄積部をリセットするリセット機構を有する単位画素が行列状に2次元配置されて成る画素アレイ部と、
前記光電変換部をリセットし、その後前記第1の転送機構によって前記光電変換部の電荷を前記第1の蓄積部に転送し、その後前記第2の転送機構及び前記読出し機構によって前記第1の蓄積部の電荷に応じた第1の信号を前記信号線に読み出し、次いで前記第1の転送機構、前記第2の転送機構及び前記読出し機構によって前記光電変換部の電荷に応じた第2の信号を前記信号線に読み出すように画素を駆動する行走査部と、
を備える固体撮像装置。 - 前記行走査部は、
前記光電変換部をリセットする第1シャッタ行、前記第1の転送機構によって前記光電変換部の電荷を前記第1の蓄積部に転送する第2シャッタ行、並びに、前記第2の転送機構及び前記読出し機構によって前記第1の信号を前記信号線に読み出し、次いで前記第1の転送機構、前記第2の転送機構及び前記読出し機構によって前記第2の信号を前記信号線に読み出す読出し行を、
前記第1シャッタ行に対する走査タイミングから前記第2シャッタ行に対する走査タイミングまでの期間と前記第2シャッタ行に対する走査タイミングから前記読出し行に対する走査タイミングまでの期間を異ならせて順に走査する請求項1に記載の固体撮像装置。 - 前記第1シャッタ行に対する走査タイミングから前記第2シャッタ行に対する走査タイミングまでの期間は、前記第2シャッタ行に対する走査タイミングから前記読出し行に対する走査タイミングまでの期間よりも長い請求項2に記載の固体撮像装置。
- 前記第1の蓄積部に電荷を保持する期間に前記ゲート電極に印加される電圧は、前記ゲート電極下に、前記第1の蓄積部の電荷とは反対極性の電荷を生じさせる電圧である請求項1に記載の固体撮像装置。
- 前記行走査部は、
前記メカニカルシャッタの開状態において前記光電変換部を全画素同時にリセットし、次いで前記第1の転送機構によって前記光電変換部の電荷を全画素同時に前記第1の蓄積部に転送し、
しかる後、前記メカニカルシャッタの閉状態において前記画素アレイ部の各画素を行単位で順に選択し、前記第2の転送機構及び前記読出し機構によって前記第1の信号を前記信号線に読み出し、次いで前記第1の転送機構、前記第2の転送機構及び前記読出し機構によって前記第2の信号を前記信号線に読み出しつつ走査する請求項1に記載の固体撮像装置。 - 前記全画素同時のリセットから前記全画素同時の前記第1の蓄積部への転送までの期間は、引き続いて前記メカニカルシャッタを閉じるまでの期間よりも長い請求項5に記載の固体撮像装置。
- 前記信号線を通して出力される前記第1の信号と前記第2の信号とを合成処理する合成処理部を有する請求項2または請求項5に記載の固体撮像装置。
- 前記合成処理部は、前記第1の信号と前記第2の信号との感度比をαとするとき、前記第1の信号が飽和レベルまたはそれに近い基準値以上のときは前記第2の信号×αを採用し、前記第1の信号が前記基準値よりも小さいときは当該第1の信号を採用する請求項7に記載の固体撮像装置。
- 前記合成処理部は、前記第1の信号が飽和レベルまたはそれに近い第1の基準値よりも小さく、当該第1の基準値よりも小さい第2の基準値よりも大きいときに前記第1の信号と前記第2の信号×αの信号に対して加重平均処理を行う請求項7に記載の固体撮像装置。
- 前記合成処理部は、係数をβとするとき、前記第1の信号×β+前記第2の信号×α×(1−β)なる演算によって加重平均処理を行う請求項9に記載の固体撮像装置。
- メカニカルシャッタを通して入射する光を光電変換して生成した電荷を蓄積する埋込みフォトダイオードから成る光電変換部、前記光電変換部の電荷を第1の蓄積部に転送するCCD構成の第1の転送機構、前記第1の蓄積部の電荷を第2の蓄積部に転送する第2の転送機構、前記第2の蓄積部の電荷に応じた信号を信号線に読み出す読出し機構、及び、前記第2の蓄積部をリセットするリセット機構を有する単位画素が行列状に2次元配置されて成る画素アレイ部を有する固体撮像装置の駆動に当たって、
前記光電変換部をリセットする第1シャッタ行と、
前記第1の転送機構によって前記光電変換部の電荷を前記第1の蓄積部に転送する第2シャッタ行と、
前記第2の転送機構及び前記読出し機構によって前記第1の蓄積部の電荷に応じた第1の信号を前記信号線に読み出し、次いで前記第1の転送機構、前記第2の転送機構及び前記読出し機構によって前記光電変換部の電荷に応じた第2の信号を前記信号線に読み出す読出し行とを、
前記第1シャッタ行に対する走査タイミングから前記第2シャッタ行に対する走査タイミングまでの期間と前記第2シャッタ行に対する走査タイミングから前記読出し行に対する走査タイミングまでの期間を異ならせて順に走査する固体撮像装置の駆動方法。 - メカニカルシャッタを通して入射する光を光電変換して生成した電荷を蓄積する埋込みフォトダイオードから成る光電変換部、前記光電変換部の電荷を第1の蓄積部に転送するCCD構成の第1の転送機構、前記第1の蓄積部の電荷を第2の蓄積部に転送する第2の転送機構、前記第2の蓄積部の電荷に応じた信号を信号線に読み出す読出し機構、及び、前記第2の蓄積部をリセットするリセット機構を有する単位画素が行列状に2次元配置されて成る画素アレイ部を有する固体撮像装置の駆動に当たって、
前記メカニカルシャッタの開状態において前記光電変換部を全画素同時にリセットし、次いで前記第1の転送機構によって前記光電変換部の電荷を全画素同時に前記第1の蓄積部に転送し、
しかる後、前記メカニカルシャッタの閉状態において前記画素アレイ部の各画素を行単位で順に走査しつつ、前記第2の転送機構及び前記読出し機構によって前記第1の蓄積部の電荷に応じた第1の信号を前記信号線に読み出し、次いで前記第1の転送機構、前記第2の転送機構及び前記読出し機構によって前記光電変換部の電荷に応じた第2の信号を前記信号線に読み出す固体撮像装置の駆動方法。 - メカニカルシャッタを通して入射する光を光電変換して生成した電荷を蓄積する埋込みフォトダイオードから成る光電変換部、前記光電変換部の電荷を第1の蓄積部に転送するCCD構成の第1の転送機構、前記第1の蓄積部の電荷を第2の蓄積部に転送する第2の転送機構、前記第2の蓄積部の電荷に応じた信号を信号線に読み出す読出し機構、及び、前記第2の蓄積部をリセットするリセット機構を有する単位画素が行列状に2次元配置されて成る画素アレイ部と、
前記光電変換部をリセットする第1シャッタ行、前記第1の転送機構によって前記光電変換部の電荷を前記第1の蓄積部に転送する第2シャッタ行、並びに、前記第2の転送機構及び前記読出し機構によって前記第1の蓄積部の電荷に応じた第1の信号を前記信号線に読み出し、次いで前記第1の転送機構、前記第2の転送機構及び前記読出し機構によって前記光電変換部の電荷に応じた第2の信号を前記信号線に読み出す読出し行を、
前記第1シャッタ行に対する走査タイミングから前記第2シャッタ行に対する走査タイミングまでの期間と前記第2シャッタ行に対する走査タイミングから前記読出し行に対する走査タイミングまでの期間を異ならせて順に走査する行走査部と、
を備える固体撮像装置を有する電子機器。 - 固体撮像装置の撮像面に対して入射光を選択的に取り込むメカニカルシャッタと、
前記メカニカルシャッタを通して入射する光について光電変換で生成した電荷を蓄積する光電変換部、前記光電変換部の電荷を第1の蓄積部に転送する第1の転送機構、前記第1の蓄積部の電荷を第2の蓄積部に転送する第2の転送機構、前記第2の蓄積部の電荷に応じた信号を信号線に読み出す読出し機構、及び、前記第2の蓄積部をリセットするリセット機構を有する単位画素が行列状に2次元配置されて成る画素アレイ部を有する固体撮像装置と、
を備え、
前記固体撮像装置の行走査部は、
前記メカニカルシャッタの開状態において前記光電変換部を全画素同時にリセットし、次いで前記第1の転送機構によって前記光電変換部の電荷を全画素同時に前記第1の蓄積部に転送し、
しかる後、前記メカニカルシャッタの閉状態において前記画素アレイ部の各画素を行単位で順に走査しつつ、前記第2の転送機構及び前記読出し機構によって前記第1の蓄積部の電荷に応じた第1の信号を前記信号線に読み出し、次いで前記第1の転送機構、前記第2の転送機構及び前記読出し機構によって前記光電変換部の電荷に応じた第2の信号を前記信号線に読み出す電子機器。
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