JP6021466B2 - 固体撮像素子、駆動方法、および電子装置 - Google Patents

Description

本開示は、固体撮像素子、駆動方法、および電子装置に関し、特に、最短露光時間を任意に調整できるようにした固体撮像素子、駆動方法、および電子装置に関する。

デジタルスチルカメラなどに用いられている固体撮像素子としてのCMOSイメージセンサ（以下、CISと略称する）において露光時間を適切に調整できない場合、撮像される画像に劣化が生じ得る。例えば、高輝度の被写体を撮像するに際して露光時間を短くすることができなければ、画素信号のレベルがそのダイナミックレンジの上限に達してしまい、全体的に白く浮いた画像になってしまう。

なお、高輝度の被写体に対処する方法としては、露光時間を短くする方法の他、単位画素の容量（光電変換された光電荷を蓄積する容量およびＦＤ(Floating Diffusion)容量）を物理的に増加する方法もある。

前者の方法は、CISの構造上の理由により実現できなかった。具体的には、画素リセット電位（FDリセット電位）を読み出す期間には、露光時間の開始タイミングとなる画素リセットを行なうことができないので、露光時間を任意に短く設定することができなかった。

ここで、露光時間を任意に短く設定することができない理由についてより詳細に説明する。

図１は、従来のCISの構成の一例を示している。このCIS１０は、画素信号に生じ得るノイズを除去するための相関２重サンプリング法（以下、CDS;Correlated Double Samplingと称する）をデジタル信号処理として実行するＡＤ変換部（以下、ADCと称する）を備えたものである（例えば、特許文献１参照）。

CIS１０は、画素アレイ部１１、行走査部１２、列走査部１３、タイミング制御部１４、列毎に設けられたADC１５、DAC１６、およびデータ出力部１７を有する。

画素アレイ部１１は、行列状に配置された多数の単位画素１１１から構成される。行走査部１２乃至タイミング制御部１４は、画素アレイ部１１の信号を順次読み出すためのものである。行走査部１２は、行アドレスや行走査を制御する。列走査部１３は、列アドレスや列走査を制御する。タイミング制御部１４は、内部クロックを生成する。

各ADC１５は、コンパレータ（CMP）１５１、非同期アップ／ダウンカウンタ（CNT）１５２、およびスイッチ１５３から構成される積分型ADCである。

コンパレータ１５１は、DAC１６により生成される参照電圧Vref'と、単位画素１１１から垂直信号線Ｖｎ（ｎ＝０，１…，ｎ＋１）を介して読み出される光電荷に対応するアナログの電圧信号VSL'とを比較し、その比較結果を非同期アップ／ダウンカウンタ（以下、カウンタと略称する）１５２に出力する。

カウンタ１５２は、コンパレータ１５１の比較結果およびクロックＣＫを受けてアップダウンカウント（またはダウンカウント）を行い、その結果であるカウント値を保持する機能を有する。スイッチ１５３は、カウンタ１５２とデータ転送線１８を接続するものであり、列走査部１３からの走査制御により開閉する。データ転送線１８には、データ転送線１８に対応したセンス回路、減算回路を含むデータ出力部１７が配置されている。

保持回路としての機能を有するカウンタ１５２は、初期時にはアップカウント（またはダウンカウント）状態とされ、リセットカウントを行い、対応するコンパレータ１５１のからの比較結果が反転すると、アップカウント動作を停止し、カウント値が保持される。このとき、カウンタ１５２の初期値は、ＡＤ変換の階調の任意の値、例えば０とされている。このリセットカウント期間は、単位画素１１１のリセット成分を読み出している。カウンタ１５２は、その後、ダウンカウント（またはアップカウント）状態となり、入射光量に対応したデータカウントを行い、対応するコンパレータ１５１の比較結果が反転すると、比較期間に応じたカウント値が保持される。カウンタ１５２に保持されたカウンタ値は、デジタル信号として、列走査部１３からの走査に応じて閉とされたスイッチ１５３およびデータ転送線１８を介してデータ出力部１７に入力される。

列走査部１３は、タイミング制御部１４から例えばスタートパルスSTRおよびマスタクロックMCKが供給されることで活性化され、マスタクロックMCKを基準とする駆動クロックCLKに同期して対応する選択線SELを駆動して、カウンタ１５２のラッチデータ（保持されているカウント値）をデータ転送線１８に読み出させる。

次に、図２は単位画素１１１の構成の一例を示している。

単位画素１１１は、フォトディテクタ(以下、ＰＤと称する)１２１、拡散層（以下、ＦＤと称する）１２２、転送ゲートトランジスタ(以下、TRG Trと称する)１２３、リセットトランジスタ(以下、RST Trと称する)１２４、増幅トランジスタ(以下、Amp Trと称する)１２５、および選択トランジスタ(以下、SEL Trと称する)１２６から構成される。

ＰＤ１２１は、入射光を光電変換することにより光電荷を生成して蓄積する。ＦＤ１２２は、TRG Tr１２３を介してＰＤ１２１から転送される光電荷を電圧変換する。TRG Tr１２３は、タイミング制御部１４からの制御に従い、ＰＤ１２１に蓄積された光電荷をＦＤ１２２に転送させる。RST Tr１２４は、タイミング制御部１４からの制御に従い、ＦＤ１２２の電位をリセットさせる。

Amp Tr１２５は、タイミング制御部１４からの制御に従い、ＦＤ１２２の電位を増幅させる。SEL Tr１２６は、タイミング制御部１４からの制御に従い、増幅されたＦＤ１２２の電位を表す電圧信号を垂直信号線Ｖｎに出力する。

図３は、単位画素１１１の動作波形の一例を示している。

CIS１０においては、１水平単位期間（１Ｈ）内で以下の処理が行われる。また、ランダムノイズを防止する観点から、必ず画素リセットレベルを読み出した後、画素信号レベルを読み出すようになされている。

すなわち、１Ｈ内において、任意の行Ｈｘの単位画素１１１から垂直信号線Ｖｎ（ｎ＝０，１，…，ｎ＋１）への１回目の読み出しとコンパレータ１５１による１回目の比較、カウンタ１５２によるカウントがＰ相（リセット期間）として実行される。それに続いて、２回目の読み出しとコンパレータ１５１による２回目の比較、カウンタ１５２によるカウントとその後処理がＤ相（信号読み出し期間）として実行される。そして、２回目のカウント値から１回目のカウント値を減算した結果が画素信号として出力される。

なお、Ｐ相およびＤ相のタイミングは、タイミング制御部１４により制御される。

図４は、被写体が高輝度である場合における、単位画素１１１の動作波形の一例を示している。

単位画素１１１におけるシャッタ動作は、TRG Tr１２３とRST Tr１２４を同時にHighにしてＰＤ１２１をリセットさせることにより開始され、その後少なくともTRG Tr１２３をLowにすることにより終了される。

なお、RST Tr１２４をHighにすることでＦＤ１２２がリセットされ、その後にRST Tr１２４をLowにした状態で画素リセットレベルの読み出しが行なわれる。この後、TRG Tr１２３がHighにされることにより、ＰＤ１２１に蓄積されていた光電荷がＦＤ１２２に転送されて画像信号レベルの読み出しが行なわれる。

特許４１０７２６９号公報

上述したように、単位画素１１１のシャッタ時間（すなわち露光時間）の開始には、ＰＤ１２１のリセットが必要であり、そのためにはTRG Tr１２３とRST Tr１２４を同時にHighにする必要がある。また、露光時間の終了には、少なくともTRG Tr１２３をLowにする必要がある。このTRG Tr１２３が一度Highにされてから再びHighにされる期間には画素リセットレベルの読み出しが行なわれる。

換言すれば、画素リセットレベルの読み出し期間が露光時間となるので、単位画素１１１においては、画素リセットレベルの読み出し期間よりも短い露光時間を設定することができなかった。

したがって、被写体が高輝度である場合においても露光時間を適切に短く調整することができないので、画像信号がダイナミックレンジを確保することができなくなり（飽和してしまい）撮像される画像に劣化が生じさせてしまうことがあった。

本開示はこのような状況に鑑みてなされたものであり、単位画素の露光時間を適切に調整できるようにするものである。

本開示の第1の側面である固体撮像素子は、入射光を光電変換し、得られた光電荷を蓄積する光電変換部と、前記光電変換部から転送された前記光電荷を電圧信号に変換する電圧変換部と、前記光電変換部に蓄積されている前記光電荷を前記電圧変換部に転送させる第１のゲート部と、前記電圧変換部の電位をリセットさせる第２のゲート部と、前記光電変換部に蓄積されている前記光電荷を直接的にリセットさせる第３のゲート部と、前記第１乃至第３のゲート部の駆動を制御する制御部とを備え、前記制御部は、前記第１および第２のゲート部をLowとしている画素リセットレベルの読み出し期間であって、被写体の輝度に応じたタイミングで前記第３のゲート部をLowとすることにより、前記光電変換部の露光時間を開始させるとともに前記露光時間の時間長を調整する。

前記光電変換部および前記第１のゲート部は複数存在し、前記電圧変換部は、複数の前記光電変換部から転送された前記光電荷を加算して電圧信号に変換することができる。

本開示の第１の側面である固体撮像素子は、多数の前記光電変換部が行列上に配置された画素アレイ部を覆うカラーフィルタをさらに備え、前記カラーフィルタは白色を含むことができる。

前記光電変換部はＡＦラインセンサ上に配置されるようにすることができる。

本開示の第1の側面である駆動方法は、入射光を光電変換し、得られた光電荷を蓄積する光電変換部と、前記光電変換部から転送された前記光電荷を電圧信号に変換する電圧変換部と、前記光電変換部に蓄積されている前記光電荷を前記電圧変換部に転送させる第１のゲート部と、前記電圧変換部の電位をリセットさせる第２のゲート部と、前記光電変換部に蓄積されている前記光電荷を直接的にリセットさせる第３のゲート部と、前記第１乃至第３のゲート部の駆動を制御する制御部とを備える固体撮像素子の駆動方法において、前記制御部による、前記第１および第２のゲート部をLowとして画素リセットレベルの読み出し期間を設ける第１のステップと、前記画素リセットレベルの読み出し期間であって、被写体の輝度に応じたタイミングで前記第３のゲート部をLowとすることにより前記光電変換部の露光時間を開始させるとともに前記露光時間の時間長を調整する第２のステップとを含む。

本開示の第２の側面である電子装置は、固体撮像素子を用いた撮像部を備える電子装置であって、前記固体撮像素子が、入射光を光電変換し、得られた光電荷を蓄積する光電変換部と、前記光電変換部から転送された前記光電荷を電圧信号に変換する電圧変換部と、前記光電変換部に蓄積されている前記光電荷を前記電圧変換部に転送させる第１のゲート部と、前記電圧変換部の電位をリセットさせる第２のゲート部と、前記光電変換部に蓄積されている前記光電荷を直接的にリセットさせる第３のゲート部と、前記第１乃至第３のゲート部の駆動を制御する制御部とを備え、前記制御部は、前記第１および第２のゲート部をLowとしている画素リセットレベルの読み出し期間であって、被写体の輝度に応じたタイミングで前記第３のゲート部をLowとすることにより、前記光電変換部の露光時間を開始させるとともに前記露光時間の時間長を調整する。

本開示の第１および第２の側面においては、制御部により、第１および第２のゲート部をLowとしている画素リセットレベルの読み出し期間であって、被写体の輝度に応じたタイミングで第３のゲート部がLowとされることにより、光電変換部の露光時間が開始されるとともに前記露光時間の時間長が調整される。

本開示の第１の側面によれば、露光時間を適切に調整可能な固体撮像素子を実現できる。

本開示の第２の側面によれば、露光時間を適切に調整可能な撮像部を有する電子装置を実現できる。

従来のCISの構成の一例を示すブロック図である。 従来の単位画素の構成の一例を示す回路図である。 図２の単位画素から画素信号を読み出すときの動作波形図である。 高輝度の被写体を撮像する場合の動作波形図である。 本開示を適用した単位画素の構成例を示す回路図である。 図５の単位画素から画素信号を読み出すときの動作波形図である。 本開示を適用した単位画素の変形例を示す回路図である。 図７の単位画素を適用可能なＷ画素を含む画素配列の例を示す図である。 図７の単位画素の適用例を説明するための図である。

以下、本開示を実施するための最良の形態（以下、実施の形態と称する）について、図面を参照しながら詳細に説明する。

［単位画素の構成例］
図５は、図１に示されたCIS１０の単位画素１１１（図２）と置換可能な、本実施の形態である単位画素３００の構成例を示している。

この単位画素３００は、例えば高輝度の被写体を撮像する場合において、露光時間を画素リセットレベルの読み出し期間よりも短く適切に調整できるようにするものである。

図５の単位画素３００と図２の単位画素１１１を比較して明らかなように、単位画素３００は、図２の単位画素１１１の構成にRSTP Tr３０１を追加したものである。なお、RSTP Tr３０１以外の構成要素については、図２と同一の番号を付している。

すなわち、単位画素３００は、ＰＤ１２１、ＦＤ１２２、TRG Tr１２３、RST Tr１２４、Amp Tr１２５、SEL Tr１２６、およびＰＤリセットトラジスタ（以下、RSTP Tr）３０１から構成される。

ＰＤ１２１は、入射光を光電変換することにより光電荷を生成して蓄積する。ＦＤ１２２は、TRG Tr１２３を介してＰＤ１２１から転送される光電荷を電圧変換する。TRG Tr１２３は、タイミング制御部１４からの制御に従い、ＰＤ１２１に蓄積された光電荷をＦＤ１２２に転送させる。RST Tr１２４は、タイミング制御部１４からの制御に従い、ＦＤ１２２の電位をリセットさせる。

Amp Tr１２５は、タイミング制御部１４からの制御に従い、ＦＤ１２２の電位を増幅させる。SEL Tr１２６は、タイミング制御部１４からの制御に従い、増幅されたＦＤ１２２の電位を表す電圧信号を垂直信号線Ｖｎに出力する。

RSTP Tr３０１は、タイミング制御部１４からの制御に従い、ＰＤ３１１に蓄積されている電荷を直接的にリセットさせる。
[単位画素３００の動作]

図６は、図５に示された単位画素３００の動作波形の一例を示している。

単位画素３００においては、TRG Tr１２３とRST Tr１２４をLowにすることにより画素リセットレベルの読み出しが行なわれる。そして、この画素リセットレベルが読み出されている期間（TRG Tr１２３とRST Tr１２４がLowの期間）にRSTP Tr３０１をHighからLowに切替えることにより、露光時間（シャッタ動作）が開始される。

このように、RSTP Tr３０１を切替えることにより、露光時間を画素リセットレベルの読み出し期間よりも短い時間に任意に調整することができる。したがって、被写体に輝度に応じてRSTP Tr３０１を制御すれば、露光時間を適切に設定することができ、画像信号のダイナミックレンジを確保することができる。

［変形例］
次に、単位画素３００の変形例について説明する。

図７は、複数のＰＤ１２１に蓄積された光電荷を共通のＦＤ１２２に転送するようにした単位画素４００の構成例を示している。

なお、図７は、２つのＰＤ１２１−１，１２１−２に蓄積された光電荷を共通のＦＤ１２２に転送する場合を示しているが、ＦＤ１２２を共有するＰＤ１２１の数は２以上であってもよい。また、図７においては、図５と共通する構成要素については同一の番号を付与しているのでその説明は省略する。

図示するように、ＦＤ１２２を複数のＰＤ１２１で共有することにより、単位画素の面積を削減することができる。また、ＦＤ１２２にて複数のＰＤ１２１の光電荷を加算することにより、複数行の画素信号を同時に読み出せるので、読み出し時間の短縮が可能となったり、被写体が低輝度の場合にはその信号レベルを確保したりすることができる。また、被写体が高輝度の場合に露光時間を短くしたとしてもＦＤ１２２を電荷で満たすことができる。

図７に示された単位画素の構成は、例えば図８に示されるような３原色（Ｒ，Ｇ，Ｂ）にＷ（白色）を追加して撮像画像全体の輝度を確保するようにしたカラーフィルタを備えるCISに用いて好適である。

また、図７に示された単位画素の構成は、図９に示されるように、ＡＦ(Auto Focus)ラインセンサ４１０が画面全体に分散配置されている画素アレイ４００がモニタリングモードで動作するに際して好適である。

なお、本開示の実施の形態である単位画素３００およびその変形例である単位画素４００が採用されたCISは撮像機能を有するあらゆる電子装置に適用することができる。

本開示の実施の形態は、上述した実施の形態に限定されるものではなく、本開示の要旨を逸脱しない範囲において種々の変更が可能である。

１０ CIS， １１ 画素アレイ， １５ ADC， １１１ 単位画素， １２１ ＰＤ， １２２ ＦＤ， １２３ TRG Tr， １２４ RST Tr， １２５ Amp Tr， １２６ SEL Tr， ３００ 単位画素， ３０１RSTP Tr， ４００単位画素

Claims (6)

1. 入射光を光電変換し、得られた光電荷を蓄積する光電変換部と、
   前記光電変換部から転送された前記光電荷を電圧信号に変換する電圧変換部と、
   前記光電変換部に蓄積されている前記光電荷を前記電圧変換部に転送させる第１のゲート部と、
   前記電圧変換部の電位をリセットさせる第２のゲート部と、
   前記光電変換部に蓄積されている前記光電荷を直接的にリセットさせる第３のゲート部と、
   前記第１乃至第３のゲート部の駆動を制御する制御部と
   を備え、
   前記制御部は、前記第１および第２のゲート部をLowとしている画素リセットレベルの読み出し期間であって、被写体の輝度に応じたタイミングで前記第３のゲート部をLowとすることにより、前記光電変換部の露光時間を開始させるとともに前記露光時間の時間長を調整する
   固体撮像素子。
2. 前記光電変換部および前記第１のゲート部は複数存在し、
   前記電圧変換部は、複数の前記光電変換部から転送された前記光電荷を加算して電圧信号に変換する
   請求項１に記載の固体撮像素子。
3. 多数の前記光電変換部が行列上に配置された画素アレイ部を覆うカラーフィルタを
   さらに備え、
   前記カラーフィルタは白色を含む
   請求項２に記載の固体撮像素子。
4. 前記光電変換部はＡＦラインセンサ上に配置される
   請求項２または３に記載の固体撮像素子。
5. 入射光を光電変換し、得られた光電荷を蓄積する光電変換部と、
   前記光電変換部から転送された前記光電荷を電圧信号に変換する電圧変換部と、
   前記光電変換部に蓄積されている前記光電荷を前記電圧変換部に転送させる第１のゲート部と、
   前記電圧変換部の電位をリセットさせる第２のゲート部と、
   前記光電変換部に蓄積されている前記光電荷を直接的にリセットさせる第３のゲート部と、
   前記第１乃至第３のゲート部の駆動を制御する制御部と
   を備える固体撮像素子の駆動方法において、
   前記制御部による、
   前記第１および第２のゲート部をLowとして画素リセットレベルの読み出し期間を設ける第１のステップと、
   前記画素リセットレベルの読み出し期間であって、被写体の輝度に応じたタイミングで前記第３のゲート部をLowとすることにより前記光電変換部の露光時間を開始させるとともに前記露光時間の時間長を調整する第２のステップと
   を含む駆動方法。
6. 固体撮像素子を用いた撮像部を備える電子装置であって、
   前記固体撮像素子は、
   入射光を光電変換し、得られた光電荷を蓄積する光電変換部と、
   前記光電変換部から転送された前記光電荷を電圧信号に変換する電圧変換部と、
   前記光電変換部に蓄積されている前記光電荷を前記電圧変換部に転送させる第１のゲート部と、
   前記電圧変換部の電位をリセットさせる第２のゲート部と、
   前記光電変換部に蓄積されている前記光電荷を直接的にリセットさせる第３のゲート部と、
   前記第１乃至第３のゲート部の駆動を制御する制御部と
   を備え、
   前記制御部は、前記第１および第２のゲート部をLowとしている画素リセットレベルの読み出し期間であって、被写体の輝度に応じたタイミングで前記第３のゲート部をLowとすることにより、前記光電変換部の露光時間を開始させるとともに前記露光時間の時間長を調整する
   電子装置。

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