JP6354221B2 - 撮像装置及び電子機器 - Google Patents

Description

本発明は、入射光を光電変換して信号電荷を生成して増幅する光電変換素子を備えた撮像装置及びそれを用いた電子機器に関する。

高感度な固体撮像装置として光電変換素子にフォトトランジスタを採用したものがある。これらはフォトトランジスタの持つ増幅作用により入射光に対してフォトトランジスタより大きな出力が得られるため、光電変換素子にフォトダイオードを使用するＣＣＤやＣＭＯＳイメージセンサに比べて高感度化が可能となっている。一方、光入力範囲（ダイナミックレンジ）に関しては、現在主流となっている蓄積駆動方式では、他センサーと同様に接合容量に蓄積できる飽和電荷量により上限が決まることが既に知られている。

例えば、特許文献１には、ダイナミックレンジを拡大する目的で、複光電変換素子にフォトトランジスタを採用した固体撮像装置について記載されている。この発明では素子間に酸化膜で絶縁された埋め込み電極が存在しており、この電極に電圧印加することにより増幅率を可変させることにより光電流を変化させダイナミックレンジを拡大する方法が開示されている。

しかしながら、今までのフォトトランジスタを用いた光電変換素子は、シリコン基板上にエミッタ・ベース・コレクタを不純物濃度に差をつけて形成する必要があるため、ベース領域の不純物濃度がフォトダイオードに比べて薄くなってしまう。不純物濃度が薄いほど空乏層幅が広がり寄生容量（接合容量）が小さくなるため、フォトトランジスタを用いた固体撮像素子はフォトダイオードを用いたものに比べて蓄積できる電荷量が約１桁小さくなり、それに伴いダイナミックレンジも狭くなるという問題があった。

また、特許文献１では、確かにダイナミックレンジを拡大させるための発明は開示されているが、光電変換素子の寄生容量によりボトルネックとなってダイナミックレンジを拡大させることができない。

本発明の目的は以上の問題点を解決し、従来技術に比較してダイナミックレンジを拡大させることができる撮像装置を提供することにある。

本発明の一態様に係る撮像装置は、
入射光を光電変換して信号電荷を生成し、当該信号電荷を蓄積増幅して光電流を出力する光電変換素子を備えた撮像装置であって、
前記光電変換素子にて蓄積された第１の信号電荷が蓄積できる電荷の限界値であるしきい値を超えた場合の出力信号に、前記光電変換素子にて蓄積された信号電荷の読み出し時間中に前記光電変換素子にて受光し信号電荷に変換された第２の信号電荷の出力信号が含まれるように構成し、
前記光電変換素子はフォトトランジスタであり、
所望の分解能に応じて蓄積時間と読み出し時間を設定されたことを特徴とする。

本発明によれば、光電変換素子にフォトトランジスタを採用した固体撮像装置のダイナミックレンジを従来技術に比較して拡大できる。

本発明の実施形態に係る、光電変換素子としてフォトトランジスタＱ１を有する固体撮像装置のための信号処理回路の構成例を示す回路図である。 図１の画素１から出力される光電流の時間変化を示すグラフである。 図２において、蓄積電荷だけを考えたときの受光照度と出力信号レベル（電圧）との関係を示すグラフである。 図２において、蓄積電荷を無視した直流成分の光電流だけを考えたときの受光照度と出力信号レベル（電圧）との関係を示すグラフである。 図１の画素１において、実際の蓄積電荷と直流成分の光電流をともに考えたときの受光照度と出力信号レベル（電圧）との関係を示すグラフである。 図１の固体撮像装置において、蓄積時間と読み出し時間の設定方法を説明するための受光照度Ｘと出力信号レベル（電圧）Ｙとの関係モデルを示すグラフである。 図６の関係モデルを用いたときの設定例を示すグラフである。 図１の信号処理回路を用いたイメージセンサ回路の構成例を示す回路図である。

以下、本発明に係る実施形態について図面を参照して説明する。なお、以下の実施形態において、同様の構成要素については同一の符号を付している。

本実施形態に係る固体撮像装置は、光電変換素子にフォトトランジスタを用いた固体撮像素子での信号処理回路において、露光中に寄生容量に蓄積する電荷だけなく、信号読み出し時に発生する光電流も信号として利用する。これにより、飽和露光量を超えた光に対しても感度を持たせることを特徴としている。すなわち、寄生容量に蓄積する電荷だけでなく信号読出し期間中の光電流も合算して信号として扱うことにより、これまで飽和電荷量によりボトルネックとなって増大させることができなかった、ダイナミックレンジを従来技術に比較して拡大する。以下、本実施形態について詳細説明する。

元来、フォトダイオードを使用した、いわゆるイメージセンサである固体撮像装置は光に対する出力が低いため、露光中に光電効果により発生した電荷をフォトダイオード内部の寄生容量に蓄積してその電荷を読み出すという、蓄積時間で利得を乗算する方法で感度を高めてきた。より正確には蓄積時間中に発生した電荷と、フローティング・ディフュージョン（ＦＤ）へ蓄積電荷を転送する時間に発生した電荷が出力となる。このため、その信号量は（蓄積時間＋転送時間）に発生した電荷に相当するが、固体撮像装置の転送時間はごくわずかであり、ミリ秒オーダーの蓄積時間の前ではほぼ無視することができる。その結果、寄生容量への蓄積電荷の上限＝出力限界となりダイナミックレンジの上限が決まっている。

一方、フォトトランジスタではその増幅作用による利得が直流電流増幅率ｈ_ＦＥ倍（例えば５０〜１００倍）だけあるため、固体撮像装置と比べてその分だけ蓄積時間を短くすることができ、信号量に占める読み出し時間中に発生した電荷の割合が大きくなる。更に読み出し時間中の光電流はフォトダイオードの光電流と比べて直流電流増幅率ｈ_ＦＥ倍に増幅されているため十分に信号として検出できるレベルである。このことから、本実施形態では、読み出し時間に発生した電荷も信号として扱うことにより寄生容量に蓄積できる飽和電荷量を超えて光に対する感度を持たせているのでダイナミックレンジを拡大できる。

図１は本発明の実施形態に係る、光電変換素子としてフォトトランジスタＱ１を有する固体撮像装置のための信号処理回路の構成例を示す回路図である。

図１において、１は画素（ピクセル）を示しており、本来ならば解像度に応じて画素１がアレイ状に配列されているが（図８参照）、図１では簡単のため１画素１のみを図示している。また、画素１内も基本動作の説明が目的であるため、フォトトランジスタＱ１と選択スイッチＭＯＳトランジスタ（以下、選択スイッチトランジスタという。）Ｑ２のみの構成でゲート電圧Ｖ_Ｇを選択的に切り替えることで、選択スイッチトランジスタＱ２をオン／オフを制御するシンプルな構成を図示している。

図１において、電源電圧Ｖ_ＤＤの電圧源はフォトトランジスタＱ１及び選択スイッチトランジスタＱ２を介して信号線１１に接続され、信号線１１は積分回路１０の演算増幅器（オペアンプ）２の反転入力端子に接続される。演算増幅器２の非反転入力端子には基準電圧源４から基準電圧Ｖｒｅｆが印加され、演算増幅器２の出力端子は容量Ｃ１の積分キャパシタ３を介して非反転入力端子に接続されるとともに、出力端子５に接続される。

まず、蓄積方式の基本動作について説明する。露光中は選択スイッチトランジスタＱ２のゲートにローレベル電圧を与えて選択スイッチトランジスタをオフしており、フォトトランジスタＱ１に光が照射されて発生した電荷は画素１から出力されることなくフォトトランジスタＱ１の寄生容量に蓄積増幅されていく。次に、対象画素１の出力タイミングが来た時点で選択スイッチトランジスタＱ２のゲートにハイレベル電圧を与えて選択スイッチトランジスタＱ２をオンする。読み出し時間中は蓄積した電荷と発生中の電荷が出力され、読み出し時間が終わると再びゲートにローレベル電圧を与えて選択スイッチトランジスタＱ２をオフする。読み出し時間中に画素１から出力された電流は後段の積分回路１０の積分キャパシタ３に蓄積された後、電圧変換され対象画素１の出力信号として出力端子５から出力される。

図２は図１の画素１から出力される光電流の時間変化を示すグラフである。光の照射の開始直後はフォトトランジスタＱ１の寄生容量に蓄積された電荷が出力されるため大きな光電流が流れるが時間と共に減少し、最終的にはその時の照度に応じた光電流に収束する。信号読み取り期間は蓄積電荷が全て放出される以上の時間に設定される。

図３は図２において、蓄積電荷だけを考えたときの受光照度と出力信号レベル（電圧）との関係を示すグラフである。図３において、露光中に発生する電荷は光の強さ（≒露光量＝受光照度）とリニアな関係にあるため出力信号レベル（電圧）も一定傾きを持って増加していく。ただし、受光照度がしきい値ｌｓを超えるとフォトトランジスタＱ１の寄生容量に蓄積できる電荷が飽和レベルに達するため、それ以上に光を強くしても出力信号レベル（電圧）に変化はなく一定値に収束する。なお、しきい値ｌｓは蓄積時間により異なる。

図４は図２において、信号読み取り期間に定常的に発生している光電流（図２の定値収束後の光電流をいい、以下、「直流成分の光電流」という。）だけを考えたときの受光照度と出力信号レベル（電圧）との関係を示すグラフである。出力信号レベル（電圧）は光の強さとリニアな関係にあるため読み取り期間に出力される電荷も一定の傾きを持って増加していく。また、図４では寄生容量の蓄積電荷を考慮していないためしきい値ｌｓ以上の光に対しても出力信号レベル（電圧）は増えていくが、通常成立する蓄積時間≫読み出し時間という関係から、その傾きは図３より緩やかなものとなる。

図５は図１の画素１において、実際の蓄積電荷と直流成分の光電流をともに考えたときの受光照度と出力信号レベル（電圧）との関係を示すグラフである。図５に示すように、受光照度がしきい値ｌｓ以下の場合、（蓄積電荷＋直流成分の光電流）の電荷が出力信号レベル（電圧）として現れるため、出力信号レベル（電圧）は受光照度に対してリニアに、そして図３より急峻な傾きを持った特性を示す。受光照度がしきい値ｌｓを超えると蓄積電荷は一定値に収束するため、直流成分の光電流による電荷の増加のみが出力に反映されることになる。そのため、出力信号レベル（電圧）は受光照度に対してリニアで傾きは図４と等しくなり、受光照度がしきい値ｌｓ以下の場合よりなだらかな特性となる。なお、図１において、信号線１１においてカップリングキャパシタを備えていないので、直流成分の出力信号レベル（電圧）も積分回路１０に取り込むことができる。

従って、図５の出力特性が得られるべく露光時間と読み出し時間の比率を設定することにより、飽和電荷量による上限を超えた高照度領域にも対応可能な広ダイナミックレンジなセンサーとして使用することができる。また、本実施形態では、しきい値ｌｓを境に感度が変化し高照度領域の分解能が低下するため、暗部から明部へ向かうシーン（例えばトンネルで出口に向かって走っている場合など）で重要な情報が多い近距離〜中距離に合わせた画像を得ることができる。

また、この動作はフォトトランジスタＱ１の増幅作用で蓄積時間を短縮することにより実現されている。このときフォトダイオードを備えた固体撮像装置で同じことを実現しようとすると、光電流の絶対値が１／ｈ_ＦＥと小さいためかなり長い読み出し時間が必要となるので一般的な撮像装置としてのフレームレートを確保した状態では実現困難である。

図６は図１の固体撮像装置において、蓄積時間と読み出し時間の設定方法を説明するための受光照度Ｘと出力信号レベル（電圧）Ｙとの関係モデルを示すグラフである。ここで、図６を参照して、蓄積時間と読み出し時間の設定について具体的に考えてみる。

図６において、わかりやすく受光照度をＸ軸とし、出力信号レベル（電圧）をＹ軸とし、受光照度に対してリニアな出力が得られるイメージセンサを前提とすると、以下の２つの受光照度範囲Ｒ１，Ｒ２で、受光照度Ｙを次式で表すことができる。

（Ｒ１）受光照度が０ｌｘから飽和露光量に達する受光照度Ｘ０までの出力信号レベル（電圧）Ｙは次式で表される。
Ｙ＝（ｔ１＋ｔ２）・Ａ・Ｘ （１）
（Ｒ２）受光照度Ｘ０から最大の受光照度（対象光照射範囲）Ｘ１までの出力信号レベル（電圧）Ｙは次式で表される。
Ｙ＝ｔ２・Ａ・Ｘ＋ｔ１・Ａ・Ｘ０ （２）

ここで、ｔ１は蓄積時間であり、ｔ２は読み出し時間であり、Ａは変換係数である。

図７は図６の関係モデルを用いたときの設定例を示すグラフである。前記式（１）及び（２）を利用して、図７のように受光照度Ｘ０が１００ｌｘであり、受光照度Ｘ１が１０，０００ｌｘである。出力信号レベル（電圧）が１２ｂｉｔ≒４，０００ｄｉｇｉｔのイメージセンサに、受光照度１００ｌｘ以下に８割（＝３，２００ｄｉｇｉｔ）のデジタル信号を振り分けた特性を満足するための時間ｔ１，ｔ２を算出すると与えられた条件より下記２つの式が成り立つ。

（Ｒ１）３，２００＝（ｔ１＋ｔ２）・Ａ・１００ （３）
（Ｒ２）４，０００＝ｔ２・Ａ・１０，０００＋ｔ１・Ａ・１００ （４）

この２つの式から時間ｔ１，ｔ２を求めると、蓄積時間ｔ１＝３１．９／Ａ、読み出し時間ｔ２＝０．０８／Ａとなり、この特性を実現しようとすると、蓄積時間ｔ１と読み出し時間ｔ２の比率を３９５：１に設定する必要があることがわかる。

次いで、前記の計算の具体例について考える。フルＨＤ（１０８０Ｐ）のテレビジョン方式で３０ｆｐｓで動作する１２ｂｉｔ出力のイメージセンサでは１画素の読み出し時間は最大でも３０μｓ程度である。例えば受光照度１００ｌｘの光に対して蓄積時間ｔ１＝５ｍｓで寄生容量が飽和すると仮定すると、読み出し時間ｔ２の設定はｔ２＝１２μｓとなる。

この設定を行うことにより、受光照度１００ｌｘまでは受光照度１００ｌｘ／３，２００≒０．０３ｌｘ毎にデジタル信号が１ｄｉｇｉｔ変化する。また、受光照度１００〜１０，０００ｌｘまでは、受光照度（１０，０００−１００）／８００≒１２．４ｌｘ毎にデジタル信号が１ｄｉｇｉｔ変化する。すなわち、それぞれ受光照度０．０３ｌｘと受光照度１２．４ｌｘの分解能を持つ約１４０ｄＢ（０．０３〜１０，０００ｌｘ）のイメージセンサを得られることになる。ただし大前提として、イメージセンサが各分解能の光量変化に対して回路で扱える程度の出力特性（変換係数Ａ）を持つ必要があり、フォトトランジスタＱ１では光電流を増幅して出力するのでこれを満足する。しかし、従来のフォトダイオードを受光素子としたイメージセンサは増幅作用を持たないため、飽和露光量を超えた光に対して十分な出力を得ることは不可能であった。

これらの諸条件（受光照度Ｘ０，Ｘ１およびデジタル出力ｂｉｔ信号割り振り等）は、イメージセンサの解像度やフレームレート、出力ｂｉｔの他、対象とするアプリケーション要件などの複合的な要因で大きく変動する。そのため、その時々に応じて最適な設定をする必要がある。また必要に応じてフレームレートを落としたり、レンズ絞りを変更するなどして、駆動条件を変えることにより設定範囲を拡大することができる。

図８は図１の信号処理回路を用いたイメージセンサ回路の構成例を示す回路図である。図８において、複数の画素１を１直線上に並置しかつ各画素１の出力端子を信号線１１に接続し、各画素１から時分割で出力電流を積分回路１０に取り出すことで、２次元のイメージセンサを構成できる。

なお、図８は１次元のイメージセンサであるが、複数の画素１を２次元に並置して２次元のイメージセンサを構成してもよい。さらに、図８のイメージセンサ回路の後段にＣＤＳ回路、ＡＧＣ回路、Ａ／Ｄ変換器、ＤＳＰ信号処理回路、映像信号符号化回路などを備えることによりディジタルカメラシステム、スキャナ装置、複合機などの電子機器を構成できる。

以上の実施形態では、所望の分解能に応じて蓄積時間ｔ１と読み出し時間ｔ２を設定することができる。また、上記蓄積時間ｔ１と読み出し時間ｔ２の設定条件に応じて、上記カメラシステム等において設定されるフレームレート又は読み出し時間などの駆動条件を変更して設定することができる。例えば、画素数や動作速度の都合から現実的に設定できる蓄積時間、読み出し時間は制約があるため、例えばフレームレートを半分にして設定可能な読み出し時間を倍にするなど設定してもよい。

さらに、上記蓄積時間ｔ１と読み出し時間ｔ２の設定条件に応じて、フォトトランジスタＱ１の寄生容量の値を変更して設定してもよい。例えば、フォトトランジスタＱ１の寄生容量を半分にすると同じ条件で撮影しても半分の明るさで飽和するようになる。

実施形態のまとめ．
第１の態様に係る撮像装置は、入射光を光電変換して信号電荷を生成し、当該信号電荷を蓄積増幅して光電流を出力する光電変換素子を備えた撮像装置であって、
前記光電変換素子にて蓄積された第１の信号電荷が蓄積できる電荷の限界値であるしきい値を超えた場合の出力信号に、前記光電変換素子にて蓄積された信号電荷の読み出し時間中に前記光電変換素子にて受光し信号電荷に変換された第２の信号電荷の出力信号が含まれるように構成したことを特徴とする。

第２の態様に係る撮像装置は、第１の態様に係る撮像装置において、前記光電変換素子はフォトトランジスタであることを特徴とする。

第３の態様に係る撮像装置は、第１又は第２の撮像装置において、所望の分解能に応じて蓄積時間と読み出し時間を設定されたことを特徴とする。

第４の態様に係る撮像装置は、第３の態様に係る撮像装置において、上記蓄積時間と読み出し時間の設定条件に応じて駆動条件を変更して設定されたことを特徴とする。

第５の態様に係る撮像装置は、第３又は第４の態様に係る撮像装置において、上記蓄積時間と読み出し時間の設定条件に応じて上記光電変換素子の寄生容量を変更して設定されたことを特徴とする。

第６の態様に係る撮像装置は、第１〜第５の態様のうちのいずれか１つに係る撮像装置において、前記光電流を積分して出力信号を出力する積分回路をさらに備えたことを特徴とする。

第７の態様に係る撮像装置は、第１〜第６の態様のうちのいずれか１つに係る撮像装置において、上記撮像装置はイメージセンサであることを特徴とする。

第８の態様に係る電子機器は、第１〜第７の態様のうちのいずれか１つに係る撮像装置を備えたことを特徴とする。

１…画素、
２…演算増幅器、
３…積分キャパシタ、
４…基準電圧源、
５…出力端子、
１０…積分回路、
１１…信号線、
Ｑ１…フォトトランジスタ、
Ｑ２…選択スイッチＭＯＳトランジスタ（選択スイッチトランジスタ）。

特開２０１３−１８７５２７号公報

Claims (6)

1. 入射光を光電変換して信号電荷を生成し、当該信号電荷を蓄積増幅して光電流を出力する光電変換素子を備えた撮像装置であって、
   前記光電変換素子にて蓄積された第１の信号電荷が蓄積できる電荷の限界値であるしきい値を超えた場合の出力信号に、前記光電変換素子にて蓄積された信号電荷の読み出し時間中に前記光電変換素子にて受光し信号電荷に変換された第２の信号電荷の出力信号が含まれるように構成し、
   前記光電変換素子はフォトトランジスタであり、
   所望の分解能に応じて蓄積時間と読み出し時間を設定されたことを特徴とする撮像装置。
2. 上記蓄積時間と読み出し時間の設定条件に応じて駆動条件を変更して設定されたことを特徴とする請求項１記載の撮像装置。
3. 上記蓄積時間と読み出し時間の設定条件に応じて上記光電変換素子の寄生容量を変更して設定されたことを特徴とする請求項１又は２記載の撮像装置。
4. 前記光電流を積分して出力信号を出力する積分回路をさらに備えたことを特徴とする請求項１〜３のうちのいずれか１つに記載の撮像装置。
5. 上記撮像装置はイメージセンサであることを特徴とする請求項１〜４のうちのいずれか１つに記載の撮像装置。
6. 請求項１〜５のうちのいずれか１つに記載の撮像装置を備えたことを特徴とする電子機器。

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