JP6573186B2 - 撮像装置及びそれを備えたカメラシステム - Google Patents

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Description

本開示は、撮像装置及びそれを備えたカメラシステムに関する。
近年、医療、バイオ、及び放射線計測などのさまざまな分野で、1フォトンに至る微弱光を正確に計測する微弱光センサが必要とされている。現在、微弱光センサとして光電子増倍管(Photomultiplier Tube;PMT)が広く利用されている。しかし、真空管デバイスであるPMTは、小さくても10mm×10mmほどの大きさであるため多画素化が難しい。また、PMTを用いてイメージングを行うには、被写体をXY面内で走査するなどの方法により、被写体の各点の情報を集めてから画像化する処理が必要であるため、リアルタイムの撮影は難しい。そのような中、微弱光センサの多画素化と高速化を同時に実現するために固体素子化が要望されている。
1フォトンという微弱光を検出できる撮像装置は、受光素子にアバランシェフォトダイオードを用いることが多い。アバランシェフォトダイオードにフォトンが入射すると、電子・正孔対が生成される。生成された電子と正孔が各々高電界で加速され、この電子と正孔が次々と雪崩のように衝突電離を引き起こして新たな電子・正孔対が生成される。この内部増幅作用により感度が高められるため、微弱光検出が求められる場合にアバランシェフォトダイオードが用いられることが多い。
アバランシェフォトダイオードの動作モードには、逆バイアス電圧を降伏電圧(ブレークダウン電圧)未満で動作させるリニアモードと、逆バイアス電圧を降伏電圧以上で動作させるガイガーモードとがある。リニアモードでは、生成される電子・正孔対の割合よりも消滅する(高電解領域から出る)電子・正孔対の割合が大きく、アバランシェ現象は自然に止まる。出力電流は、入射光量にほぼ比例し、入射光量の測定に用いられる。ガイガーモードでは、増倍率が非常に高く、単一フォトンの入射でもアバランシェ現象を起こすことができるので、シングルフォトンアバランシェダイオード(SPAD:Single Photon Avalanche Diode)と呼ばれこともある。アバランシェ現象を停止させるには、逆バイアス電圧を降伏電圧以下に下げる必要がある。
例えば、特許文献1に係る光検出器は、アレイ状に配置された上記のアバランシェフォトダイオードと、CMOSイメージセンサで用いられる読み出し回路とを備え、アバランシェフォトダイオードに印加する電圧によって増倍率の制御を行っている。
国際公開第2014/097519号
特許文献1に係る光検出器においては、アバランシェ現象における増倍率を制御できるとしているが、増倍率の制御タイミング等の詳細については開示されていない。
本開示は、上記課題に鑑み、暗い領域や明るい領域が混在するシーンを同時に撮影できるように、アバランシェフォトダイオードの増倍率を実質シームレスに切り替えできる撮像装置及びそれを備えたカメラシステムを提供する。
本開示に係る撮像装置は、行列状に複数の画素が配列された画素アレイと、制御回路とを備え、前記画素アレイは、アバランシェフォトダイオードと、前記アバランシェフォトダイオードで発生した信号電荷を蓄積する電荷蓄積部と、前記電荷蓄積部を初期化するリセットトランジスタと、前記アバランシェフォトダイオードと前記電荷蓄積部とを接続する転送トランジスタと、前記信号電荷を電圧に変換する増幅トランジスタとを有し、前記制御回路は、前記アバランシェフォトダイオードに接続され、(i)第1の垂直走査期間で第1のフレームの露光期間を設け、第2の垂直走査期間で第1のフレームの読み出し期間を設けた後、第3の垂直走査期間で第2のフレームの露光期間を設ける前の第1のタイミングで又は、(ii)第1の垂直走査期間で第1のフレームの露光期間を設けた後、第2の垂直走査期間で第1のフレームの読み出し期間と第2のフレームの露光期間を同時に設ける前の第2のタイミングで、前記アバランシェフォトダイオードの増倍率を変更する。
例えば、前記制御回路は、予め設定した閾値と前記画素アレイを含むイメージセンサの出力値を比較し、比較結果によって、増倍率を変更してもよい。
例えば、前記制御回路は、前記複数の画素の全てに対して前記増倍率を同時に変更してもよい。
例えば、前記制御回路が、前記第1のタイミングで前記増倍率を変更する場合において、前記露光期間は、行毎にローリング駆動する時間として決定されていてもよい。
例えば、前記制御回路が、前記第1のタイミングで前記増倍率を変更する場合において、前記露光期間は、全画素同時にグローバル駆動する時間として決定されてもよい。
例えば、前記制御回路は、増倍率の変更を2垂直走査期間おきに行い、増倍率の異なる前記信号電荷からなる2つの画像を2垂直走査期間おきに交互に出力してもよい。
例えば、前記制御回路は、増倍率の変更を2垂直走査期間おきに行い、増倍率の異なる前記信号電荷からなる2つの画像を合成して、1つの画像を出力してもよい。
例えば、前記制御回路が、前記第2のタイミングで前記増倍率を変更する場合において、前記画素アレイは、さらに、前記電荷蓄積部と前記増幅トランジスタとの間に配置されたメモリ素子と、前記電荷蓄積部と前記メモリ素子との間に配置された読み出しトランジスタとを備え、前記露光期間は、全画素で同じであり、前記露光期間中、前記読み出しトランジスタはオフされており、信号の読み出しが行われてもよい。
例えば、前記制御回路は、増倍率の変更を1垂直走査期間おきに行い、前記撮像装置は、増倍率の異なる前記信号電荷からなる2つの画像を1垂直走査期間おきに交互に出力してもよい。
例えば、前記制御回路は、増倍率の変更を1垂直走査期間おきに行い、前記撮像装置は、増倍率の異なる前記信号電荷からなる2つの画像を合成して、1つの画像を出力してもよい。
また、本開示に係る撮像装置は、行列状に複数の画素が配列された画素アレイと、制御回路とを備え、前記画素アレイは、ウェル領域に設けられたアバランシェフォトダイオードと、前記アバランシェフォトダイオードで発生した信号電荷を蓄積する電荷蓄積部と、前記電荷蓄積部を初期化するリセットトランジスタと、前記アバランシェフォトダイオードと前記電荷蓄積部とを接続する転送トランジスタと、前記信号電荷を電圧に変換する増幅トランジスタとを有し、前記制御回路は、前記リセットトランジスタのドレイン電位と、前記リセットトランジスタのゲート電位と、前記転送トランジスタのゲート電位と、前記ウェル領域の電位を行単位で制御する。
例えば、前記制御回路は、予め設定した閾値と前記画素アレイを含むイメージセンサの出力値を比較し、比較結果によって、前記信号電荷の増倍率を変更してもよい。
例えば、前記アバランシェフォトダイオードの露光期間は、行毎に決定され、前記露光期間の終了後に、行毎に信号が読み出され、前記読み出し期間の終了後、次の露光期間の開始前に、前記制御回路が増倍率の変更を行ってもよい。
例えば、前記撮像装置は、増倍率の異なる前記信号電荷からなる2つの画像を1垂直走査期間おきに交互に出力してもよい。
例えば、前記撮像装置は、増倍率の異なる前記信号電荷からなる2つの画像を合成した1つの画像を出力してもよい。
また、本開示に係るカメラシステムは、本開示に係る撮像装置と、前記撮像装置と接続された信号処理回路とを備え、前記信号処理回路は、前記撮像装置からの出力に基づいて照度検出を行い、前記照度検出の結果に基づく信号を、前記制御回路に出力する。
本開示によれば、暗い環境下や明るい環境下を問わず撮像可能とするために、暗い環境用と明るい環境用に予め電圧を用意しておき、撮像装置で自動的に電圧をシームレスに切り替えることで、暗い被写体から明るい被写体まで広ダイナミックレンジな画像を写し出すことができる。
図1は、第1の実施形態に係る撮像装置の回路ブロック図である。 図2は、第1の実施形態に係る撮像装置の断面図である。 図3は、第1の実施形態に係るコモン電極の電圧切り替えに関する模式図である。 図4は、第1の実施形態に係るコモン電極の電圧切り替えに関する模式図である。 図5は、第1の実施形態に係る撮像装置の駆動例に関する模式図である。 図6Aは、第1の実施形態に係る画素回路の露光開始時の駆動タイミングチャートである。 図6Bは、第1の実施形態に係る露光終了時の駆動タイミングチャートである。 図7は、第1の実施形態に係る撮像装置を備えるカメラシステムの模式図である。 図8Aは、入射フォトン数と撮影モードの切り替え例を示す模式図である。 図8Bは、入射フォトン数と撮影モードの切り替え例を示す模式図である。 図9は、第1の実施形態に係る撮像装置の駆動例に関する模式図である。 図10は、第1の実施形態に係る撮像装置の出画までのシーケンス例を示す模式図である。 図11は、第1の実施形態の変形例に係る撮像装置の回路ブロック図である。 図12は、第1の実施形態の変形例に係る撮像装置の駆動例に関する模式図である。 図13Aは、第1の実施形態の変形例に係る画素回路の露光開始時の駆動タイミングチャートである。 図13Bは、第1の実施形態の変形例に係る露光終了時の駆動タイミングチャートである。 図14は、第1の実施形態の変形例に係る撮像装置の出画までのシーケンス例を示す模式図である。 図15は、第2の実施形態に係る撮像装置の回路ブロック図である。 図16は、第2の実施形態に係る撮像装置の断面図である。 図17は、第2の実施形態に係る電圧値の一例を示す図である。 図18は、第2の実施形態に係る撮像装置を備えるカメラシステムの模式図である。 図19は、被写体照度に関する模式図である。 図20は、第2の実施形態に係る撮像装置の行単位の撮影モードの切り替え例を示す模式図である。 図21は、第2の実施形態に係る撮像装置の駆動例に関する模式図である。 図22は、第2の実施形態に係る撮像装置の出画までのシーケンス例を示す模式図である。
以下、本開示に係る実施形態について、図面を用いて詳細に説明する。なお、以下で説明する実施の形態は、いずれも本開示の好ましい一具体例を示すものである。以下の実施の形態で示される数値、形状、材料、構成要素、構成要素の配置位置及び接続形態、ステップ、ステップの順序などは、一例であり、本開示を限定する主旨ではない。また、以下の実施の形態における構成要素のうち、本開示の最上位概念を示す独立請求項に記載されていない構成要素については、より好ましい形態を構成する任意の構成要素として説明される。
(第1の実施形態)
まず、図1を参照しながら、本実施形態に係る撮像装置100に含まれる単位画素回路を説明する。なお、本明細書および図中において、フローティングディフュージョンをFDと略称で記す。本実施形態に係る撮像装置100の画素回路110は、入射するフォトンをアバランシェフォトダイオードで捉え、捉えたフォトンによって発生した電荷をFDに蓄積保持し、その状態のFDの電位をソースフォロア回路で増幅して出力する。
図1に示すように、撮像装置100は、イメージセンサ101と、制御回路102とを備える。イメージセンサ101は、画素アレイ103と、垂直走査回路104と、相関二重サンプリング回路(CDS)105と、水平走査回路106と、出力アンプ107とを含む。画素アレイ103は、行列状に配置された複数の画素回路110を含む。各画素回路110は、アバランシェフォトダイオードAPDと、リセットトランジスタMRESと、転送トランジスタMTGと、増幅トランジスタMSFと、行選択トランジスタMSELと、FDとを含む。
リセットトランジスタMRESは、FDの電位をリセットドレイン電位VRSDに設定することによって、FDを初期化する。転送トランジスタMTGは、アバランシェフォトダイオードAPDとFDとを接続する。ソースフォロア回路は、画素電源PIXVDDと増幅トランジスタMSFとロードトランジスタMLGとからなる。このソースフォロア回路は、FDに蓄積した電荷によるFDの電位を増幅して出力する。行選択トランジスタMSELがONすることで、垂直信号線SIGNALから画素信号が出力される。なお、行選択トランジスタMSELが無くても、本実施形態に係る撮像装置100を駆動させることは可能である。
垂直走査回路104は、リセットトランジスタMRESを制御するリセット信号RESETと、転送トランジスタMTGを制御する転送信号TRANと、行選択トランジスタMSELを制御する行セレクト信号SELとをn行、n+1行、n+2行の順序で出力する。
なお、画素回路110において、リセットトランジスタMRES、及び増幅トランジスタMSFを含む各種トランジスタのいずれか、あるいは、全てが単位画素内で共有されてもよい。
制御回路102は、アバランシェフォトダイオードAPDのアノードと接続されている。制御回路102は、電圧スイッチ(Voltage switch)であり、アバランシェフォトダイオードAPDの増倍率を変更する。本実施形態では、制御回路102は、アバランシェフォトダイオードAPDに、アバランシェ増倍を行わずに撮像するための電圧VPD、又は、アバランシェ増倍を行って撮像するための電圧VAPDのいずれかを出力する。前者を非アバランシェ増倍モード、後者をアバランシェ増倍モードと呼ぶことがある。以下、電圧VPDおよび電圧VAPDを総称して、電圧VAと呼ぶことがある。本実施形態では、電圧VAPDと電圧VPDの差を2Vと仮定して説明する。例えば、電圧VPDは−25Vであり、電圧VAPDは−27Vである。また、アバランシェフォトダイオードAPDのブレークダウン電圧VBDは、例えば、−26Vである。ここで、|VPD|<|VBD|であり、|VAPD|>|VBD|である。なお、制御回路102は、電圧VPDと電圧VAPDの2種類に限らず、用途に応じて3種類以上の電源を有していても良い。
制御回路102の構成は、本実施形態に限らず、アバランシェフォトダイオードAPDの増倍率を変更することができる構成であればよい。例えば、アバランシェフォトダイオードAPDが単一の電源に接続されており、制御回路102は、当該単一の電源からアバランシェフォトダイオードAPDに供給される電圧を決定してもよい。また、本実施形態において、制御回路102は、イメージセンサ101の外側に別途設けられているが、イメージセンサ101内に設けられても良い。
図2は、図1に示す画素回路110の断面図である。図中のコモン電極121はメタル電極である。制御回路102は、コモン電極121に上記の電圧VAPDまたは電圧VPDを印加する。光は、断面図の下方(コモン電極121のp+層122と反対側)から入射する。そして上述した電源印加により、この光は、p+層122、p−層123において順に光電変換される。また、p層124とn層125とでアバランシェフォトダイオードAPDが形成される。n層125に蓄積された電荷は、その後、転送トランジスタMTGを介してFDに転送される。なお、各半導体層の導電型に関して、p型とn型を入れ替えても良い。
図3に示すように、制御回路102から、コモン電極121を介して、画素エリアp+層122の全てに電圧VAが供給される。図4に示すように、画素アレイ103全体に電圧VAを均等に印加できるように、画素アレイ103の4方向(例えば、4隅)から電圧VAが印加されることが好ましい。
次に図5を用いて、アバランシェフォトダイオードAPDに印加する電圧VAを切り替える(変更する)タイミングについて説明する。図5は、全画素の電圧を切り替え、ローリング露光を行う場合の駆動例を示す図である。この場合、露光後に全画素の信号を出力するまで電源の切り替えをできないので、2垂直走査期間が1フレームに対応する。
まず第1垂直走査期間VSCAN1にて、垂直走査回路104から出力される信号により、n行、n+1行、n+2行の順序(ローリング)で画素が露光を開始する。全ての行、つまり、全ての画素で露光が開始されたら、第1垂直ブランキング期間VBLK1に至る。
次に第2垂直走査期間VSCAN2にて、垂直走査回路104から出力される信号により、n行、n+1行、n+2行の順序で露光が終了して、画素に蓄積された電荷がソースフォロア回路により読み出される。全ての画素の読み出しが完了したら、第2垂直ブランキング期間BLK2に至る。
この時の第2垂直ブランキング期間BLK2において、制御回路102は、アバランシェフォトダイオードAPDに印加される電圧VAを、アバランシェ増倍で動作する電圧VAPDまたは非アバランシェ増倍で動作する電圧VPDに切り替える。
第3垂直走査期間VSCAN3では第1垂直走査期間VSCAN1と同じ動作が行われ、第4垂直走査期間VSCAN4では第2垂直走査期間VSCAN2と同じ動作が行われる。以後は、後述するようにシーンに応じて、所望のタイミングで電圧VAを切り替えるように制御すれば良い。露光時間で1垂直走査期間を要し、読み出しでさらに1垂直走査期間を要するため、画素信号の出力は2垂直走査期間のうちの1垂直走査期間のみとなる。
次に、図6を用いて、露光開始時のリセット動作および露光終了後の読み出し動作を説明する。
図6Aに画素信号のリセット状態を垂直信号線SIGNALに出力する駆動例を示す。リセットトランジスタMRESがONすることで、FDが初期化される。ここで、リセットトランジスタMRESがONしている間に転送トランジスタMTGもONすることによって、アバランシェフォトダイオードAPDも初期化(空乏化)することができる。
図6Bに画素信号の蓄積電荷信号を垂直信号線SIGNALに出力する駆動例を示す。リセットトランジスタMRESがONすることによって、FDの電位が初期化される。その後、リセットトランジスタMRESがOFFしている間に、転送トランジスタMTGがONすることによって、アバランシェフォトダイオードAPDに蓄積した信号電荷がFDに転送される。
相関二重サンプリング回路105は、図6Aのリセットレベルと図6Bの信号レベルとの差分ΔVを検出する。水平走査回路106は、このノイズが除去された信号を列の順序で出力アンプ107へ転送する。出力アンプ107は、この信号を外部へ出力する。
図7に示すカメラシステム130の例を用いて、アバランシェフォトダイオードAPDに印加する電圧VAを、アバランシェ増倍で動作する電圧VAPD、又は、非アバランシェ増倍で動作する電圧VPDのいずれに設定するかについて説明する。
カメラシステム130は、イメージセンサ101と、制御回路102と、アナログフロントエンド(AFE)131と、信号処理回路132と、タイミングジェネレータ(TG)133とを備える。
イメージセンサ101は、画素信号SENS−OUTをアナログフロントエンド131に出力する。アナログフロントエンド131は、CDS回路及びAGC(ゲインコントロールアンプ回路)を含み、画素信号SENS−OUTから検出した信号成分にゲインを掛けた信号である信号AFE−OUTを出力する。信号処理回路132は、例えば、信号処理LSIであり、A/D部134と、Y/C処理部135と、符号化部136と、照度検出部137とを含む。A/D部134は、アナログ信号である信号AFE−OUTをデジタル信号に変換する。Y/C処理部135は、A/D部134で得られたデジタル信号にY/C処理を行う。符号化部136は、Y/C処理部135で得られた信号を符号化することで信号HDMIを生成する。照度検出部137は、Y/C処理部135で得られた信号を用いて照度を検出する。
具体的には、信号処理回路132は、信号AFE−OUTの輝度レベルと、信号処理回路132に予め設定された閾値レベルとを比較することで、低照度で撮影しているか、高照度で撮影しているかを判断する。信号処理回路132は、低照度で撮像していると判断した場合には、ブランキング期間において、電圧VAをアバランシェ増倍モードで動作する電圧VAPDに切り替えるように指示する電源切替回路制御信号VOL−CNTLを出力する。また、信号処理回路132は、高照度で撮像していると判断した場合には、ブランキング期間において、電圧VAを非アバランシェ増倍モードで動作する電圧VPDに切り替えるように指示する電源切替回路制御信号VOL−CNTLを出力する。
一例として、図8A及び図8Bに示すように、1画素あたり2フォトンが入射したときの輝度レベルを、0.1Luxと定義した場合、画素信号SENS−OUTの出力電圧がSwitching levelの電圧より低いときに、アバランシェフォトダイオードAPDに印加する電圧VAが、アバランシェ増倍で動作する電圧VAPDに設定される。一方、画素信号SENS−OUTの出力電圧がSwitching levelの電圧より高いときは、制御回路102は、非アバランシェ増倍モードで動作する電圧VPDをアバランシェフォトダイオードAPDに印加する。
なお、画素信号SENS−OUTの出力電圧を基準に動作モードを判定するのではなく、イメージセンサ101への入射光照度又はフォトン数に基づき動作モードを判定してもよい。この場合、例えば、入射光照度又はフォトン数を検知する装置が別途設けられ、信号処理回路132は、この装置からの検出結果を用いて電源切替回路制御信号VOL−CNTLを出力する。
別の露光方法として、図9に示すようにグローバルに露光を行っても良い。図9を用いて、全画素の電圧を切り替え、全画素同時のグローバル駆動を採用した動作シーケンスを説明する。この場合も露光後に全画素の信号を出力するまで電源の切り替えをできないので、2垂直走査期間が1フレームに対応する。
まず第1垂直走査期間VSCAN1にて、垂直走査回路104から全画素に信号が出力されることで画素の露光が開始する。その後、全画素の露光が終了してから、第1垂直ブランキング期間BLK1に至る。
次に第2垂直走査期間VSCAN2にて、垂直走査回路104から出力される信号により、n行、n+1行、n+2行の順序で画素に蓄積された電荷がソースフォロア回路により読み出される。全ての画素の読み出しが完了したら、第2垂直ブランキング期間BLK2に至る。
この時の第2垂直ブランキング期間BLK2において、制御回路102は、アバランシェフォトダイオードAPDに印加する電圧VAを、アバランシェ増倍で動作する電圧VAPDまたは非アバランシェ増倍で動作する電圧VPDに切り替える。
第3垂直走査期間VSCAN3では第1垂直走査期間VSCAN1と同じ動作が行われ、第4垂直走査期間VSCAN4では第2垂直走査期間VSCAN2と同じ動作が行われる。以後は、後述するようにシーンに応じて、所望のタイミングで電圧VAを切り替えるように制御すれば良い。露光時間で1垂直走査期間を要し、読み出しでさらに1垂直走査期間を要するため、画素信号の出力は2垂直走査期間のうちの1垂直走査期間のみとなる。ローリング露光と比較して、グローバル、つまり、全画素同時に露光することで、被写体の同時性が保たれる。これにより、高速移動物体撮像時の被写体歪が解消される。
本実施形態では、アバランシェ増倍モードの画像と、非アバランシェ増倍モードの画像とが交互に2垂直走査期間のうちの1垂直走査期間で出力されている。図10は、全画素の電圧を切り替え、ローリング露光又はグローバル露光を行う場合のシーケンス例を示す図である。撮像装置100の1垂直走査期間が1/60秒である場合、1/30秒間の動作でアバランシェ増倍モードの画像が出力され、1/30秒間の動作で非アバランシェ増倍モードの画像も出力される。両モードの画像を交互に出力することで、出力された画像が、人の目の動体視力により広ダイナミックレンジな画像として認識される可能性はあるものの、静止画ではそれぞれ別の画像であるので、各々の画像自体は、広ダイナミックレンジな画像とはならない。
そこで本実施形態では、アバランシェ増倍モードの画像と、非アバランシェ増倍モードの画像とをフレームメモリにおいて加算することで1つの画像を生成し、生成された画像を1/15秒間隔で出力する。撮像装置100の1垂直走査期間である1/60秒の4倍の時間で撮像することになるが、広ダイナミックレンジな画像が出力できる。
(第1の実施形態の変形例)
また、グローバル露光では、図11に示す画素回路110Aのようにメモリ素子MEMを設けることで、アバランシェ増倍モードと非アバランシェ増倍モードとを切り替えて撮像する際の撮像時間の短縮が可能になる。
図11は、本変形例に係る撮像装置100Aの回路図である。図11に示す回路図では、メモリ素子MEMの他に全画素のFDをリセットするためのALLRESET信号と、ALLRESETトランジスタMALLRESと、FDからメモリ素子MEMへ信号を転送するためのMEMTRAN信号と、読み出しトランジスタMREADとが追加されている。
図12は、全画素の電圧を切り替え、グローバル露光を行う場合の駆動例を示す図である。画素内にメモリ素子MEMを設けたことで、メモリからの読み出し動作と露光動作を完全に切り離すことができ、図12に示すように1垂直走査期間前に露光した画像を読み出すと同時に1垂直走査期間前の露光モードと異なるモードで露光ができる。例えば、第2垂直走査期間VSCAN2ではアバランシェ増倍モードで露光した画像を読み出しつつ、非アバランシェ増倍モードで露光している。第3垂直走査期間VSCAN3では非アバランシェ増倍モードで露光した画像を読み出しつつ、アバランシェ増倍モードで露光している。
図13AにFDおよびアバランシェフォトダイオードAPDに蓄積した画素信号をリセットする駆動例を示す。ALLRESETトランジスタがONしてFDが初期化され、ALLRESETトランジスタがONしている間に全画素の転送トランジスタMTGもONすることによって、アバランシェフォトダイオードAPDも初期化(空乏化)される。その後、露光が開始され、アバランシェフォトダイオードAPDで光電変換が始まる。
図13Bは、アバランシェフォトダイオードAPDに蓄積した画素信号を読み出す駆動例を示す。ALLRESETトランジスタMALLRESがONして全画素のFDが初期化される。その後全画素の転送トランジスタMTGがONして、FDに画素信号が転送される。その後全画素の読み出しトランジスタMREADがONして、メモリ素子MEMに画素信号が転送される。この後、垂直走査回路104は、リセットトランジスタMRESを制御するリセット信号RESET、及び行選択トランジスタMSELを制御する行セレクト信号SELをn行、n+1行、n+2行の順序で出力する。
相関二重サンプリング回路105は、行セレクト信号SELがONした直後に垂直信号線SIGNALに出力された電圧と、その後リセットトランジスタMRESがONすることによって、メモリ素子MEMが初期化されたときに出力される電圧との差ΔVを検出することで信号成分を得る。水平走査回路106は、得られた信号を列の順序で出力アンプ107へ転送し、出力アンプ107は、転送された信号を外部へ出力する。
図14は、全画素の電圧を切り替え、グローバル露光を行う場合のシーケンス例を示す図である。図14に示す駆動によって、1垂直走査期間で1画像を出力することが可能になるため、先のローリング駆動よりも動画のフレームレートを2倍に向上できる。
(第2の実施形態)
アバランシェフォトダイオードAPDに印加する電圧VAを非アバランシェ増倍で動作する電圧VPDに固定しておき、画素下ウェル電位を変化させて、アバランシェフォトダイオードAPDの両端に印加される電圧を切り替えることでも、アバランシェ増倍モードと非アバランシェ増倍モードとを切り替えることができる。これは、ウェル電位を変化させると、アバランシェフォトダイオードAPDのカソード側の電圧も、それに比例して変化することを利用している。アバランシェフォトダイオードAPDのカソード側とアノード側との電位差がブレークダウンVB電圧を超えれば、アバランシェフォトダイオードAPDをアバランシェ増倍モードに遷移させることができる。
図15は、本実施形態に係る撮像装置100Bの回路図である。図16は、本実施形態に係る撮像装置100Bの断面図である。これらの図を参照して、本実施形態に係る撮像装置100Bの動作について説明する。本実施形態と第1の実施形態との主な相違点は、制御回路102Bが、リセットドレイン電圧VRSDとして供給される電圧VBとウェル電圧PWCONとして供給される電圧VCとを、それぞれ切り替えて変化させる点である。
制御回路102Bは、アバランシェ増倍モードで動作させる場合は、電圧VBに電圧VRSHを供給し、電圧VCに電圧VWHを供給し、非アバランシェ増倍モードで動作させる場合には、電圧VBに電圧VRSLを供給し、電圧VCに電圧VWLを供給する。なお、本実施形態では、図17に示すように、その電圧差を2Vと仮定して、電圧VRSHは5V、電圧VRSLは3V、電圧VWHは2V、電圧VWLは0Vと設定した。また、行走査で各行独立に電圧を変化させるため、イメージセンサ101Bにおいて、各電圧の供給源にドライブ能力の高いバッファ回路141〜144を挿入している。
制御回路102Bは、アバランシェ増倍モードで動作させる場合は、ウェル電圧PWCONを電圧VWHに設定するようにドライブ回路であるバッファ回路144の電源に電圧VWHを供給する。その他に、リセットドレイン電位VRSDが電圧VRSHに設定される。この時のパルス信号であるリセット信号RESETと転送信号TRANのON時のパルス高は、そのドライブ回路であるバッファ回路142及び143の電源に電圧VRSHが供給されることで、電圧VRSHと同等となる。同じくリセットドレイン電圧VRSDのON時のパルス高も、そのバッファ回路141の電源に電圧VRSHが供給されることで、電圧VRSHと同等となる。アバランシェフォトダイオードAPDのカソードには電圧VWHが印加され、一方の端子であるアノード側の電圧は電圧VPDで固定されている。これにより、この電位差がブレークダウンを超えて、電圧VAPD相当になることからアバランシェ動作に移行する。
非アバランシェ増倍モードで動作させる場合は、制御回路102Bは、ウェル電圧PWCONを電圧VWLに設定するとともに、リセットドレイン電圧VRSDを電圧VRSLに設定する。この時パルス信号であるリセット信号RESETと転送信号TRANのON時のパルス高は、そのバッファ回路142及び143の電源に電圧VRSLが供給されることで、電圧VRSLと同等となる。同じくリセットドレイン電圧VRSDのON時のパルス高も、そのバッファ回路141の電源に電圧VRSLが供給されることで、電圧VRSLと同等となる。同じくウェル電圧PWCONのON時のパルス高も、そのバッファ回路144の電源に電圧VWLが供給されることで、電圧VWLと同等となる。また、アバランシェフォトダイオードAPDのカソードには通常電圧VRSLが印加される。一方アノード側の端子は電圧VPDで固定しており、この電位差が電圧VPD相当になることから非アバランシェ動作モードに移行する。
図18は、アバランシェ動作モードと非アバランシェ動作モードとの切り替えを行うカメラシステム130Bの例を示す図である。アナログフロントエンド131は、イメージセンサ101Bから出力された画素信号SENS−OUTから検出した信号成分にゲインを掛けることで信号AFE−OUTを生成する。信号処理回路132は、信号AFE−OUTの輝度レベルと、信号処理回路132に予め設定された閾値レベルと比較することで、低照度で撮影しているか、高照度で撮影しているかを判断する。信号処理回路132は、低照度で撮像していると判断した場合には、電圧VBにアバランシェ増倍で動作する電圧VRSHを供給され、電圧VCに電圧VWHが供給されるように指示する電源切替回路制御信号VOL−CNTLを出力する。
一例として、図19に示すように低照度と高照度との境界を0.1Luxと定義すると、入射光の照度が、0.1Luxよりも低いときは、電圧VBにアバランシェ増倍モードの電圧VRSHが供給され、電圧VCに電圧VWHが供給される。入射光の照度が、0.1Luxよりも高いときは電圧VBに非アバランシェ増倍モードで動作する電圧VRSLが供給され、電圧VCに電圧VWLが供給される。
図20は、行毎に電圧を切り替え、ローリング駆動を行う場合を説明するための模式図である。各画素行に共通の電圧VBと電圧VCを供給するためにドライブ能力が必要になる。
図20に示すように、本実施形態においては、画素アレイ103に含まれる2次元に配置された複数の画素のうち、行方向の画素について、リセットドレイン電圧VRSD、リセット信号RESET及び転送信号TRANが共有され、ウェル電圧PWCONも共有されている。行方向に配置した配線には寄生容量Cと配線抵抗Rが存在するため、その時定数によって信号伝播が遅延する。そのため、行毎にバッファ回路141〜144を設けることで遅延を抑止している。この構成にすることで第1の実施形態よりも高速に出画することが可能になる。
図21は、行毎に電圧を切り替え、ローリング駆動を行う場合の駆動例を示す図である。図21に示すように、アバランシェフォトダイオードAPDの露光時間の開始および終了が行毎の順次走査で決定される。露光時間終了後に、アバランシェフォトダイオードAPDの信号が行毎の順次走査で読み出される。読み出し時間の終了直後に、制御回路102Bは、各行での増倍率の変更を行うことができる。なお、図21は、動作の途中を示したものである。
非アバランシェ動作モードでは、第1垂直走査期間VSCAN1で露光が開始し、第2垂直走査期間VSCAN2で読み出しが開始する。アバランシェ動作モードでは、第2垂直走査期間VSCAN2で露光が開始し、第1垂直走査期間VSCAN1で読み出しが開始する。従って、第1の実施形態のような露光時間で1垂直走査期間を要し、読み出しでさらに1垂直走査期間を要することはない。このように、行毎に信号を出力した後、すぐに電源を切り替えることができるので、フレームレートは1垂直走査期間のままにできる。
本実施形態では、アバランシェ増倍で動作した際に得られた画像と、非アバランシェ増倍モードで動作した際に得られた画像とを交互に1垂直走査期間で切り替えて出力している。図22は、行毎に電圧を切り替え、ローリング露光を行う場合のシーケンス例を示す図である。撮像装置100Bの1垂直走査期間が1/60秒である場合、1/60秒間の動作でアバランシェ増倍モードの画像が出力され、1/60秒間の動作で非アバランシェ増倍モードの画像も出力される。両モードの画像を交互に出力することで、広ダイナミックレンジな動画像として認識される。さらに両モードの画像を合成して一枚の画像を生成するために、アバランシェ増倍モードの画像と、非アバランシェ増倍モードの画像とをフレームメモリにおいて加算して、得られた画像を1/30秒で出画することも可能である。
以上、実施形態に係る撮像装置及びカメラシステムについて説明したが、本開示は、この実施の形態に限定されるものではない。
また、上記実施形態に係る撮像装置又はカメラシステムに含まれる各処理部は典型的には集積回路であるLSIとして実現される。これらは個別に1チップ化されてもよいし、一部又は全てを含むように1チップ化されてもよい。
また、集積回路化はLSIに限るものではなく、専用回路又は汎用プロセッサで実現してもよい。LSI製造後にプログラムすることが可能なFPGA(Field Programmable Gate Array)、又はLSI内部の回路セルの接続や設定を再構成可能なリコンフィギュラブル・プロセッサを利用してもよい。
また、上記実施形態に係る、カメラシステムの機能の一部を、CPU等のプロセッサがプログラムを実行することにより実現してもよい。
また、上記断面図等において、各構成要素の角部及び辺を直線的に記載しているが、製造上の理由により、角部及び辺が丸みをおびたものも本発明に含まれる。
また、上記で用いた数字は、全て本開示を具体的に説明するために例示するものであり、本開示は例示された数字に制限されない。さらに、ハイ/ローにより表される論理レベル又はオン/オフにより表されるスイッチング状態は、本開示を具体的に説明するために例示するものであり、例示された論理レベル又はスイッチング状態の異なる組み合わせにより、同等な結果を得ることも可能である。
また、ブロック図における機能ブロックの分割は一例であり、複数の機能ブロックを一つの機能ブロックとして実現したり、一つの機能ブロックを複数に分割したり、一部の機能を他の機能ブロックに移してもよい。また、類似する機能を有する複数の機能ブロックの機能を単一のハードウェア又はソフトウェアが並列又は時分割に処理してもよい。
以上、一つまたは複数の態様に係る撮像装置について、実施の形態に基づいて説明したが、本開示は、この実施の形態に限定されるものではない。本開示の趣旨を逸脱しない限り、当業者が思いつく各種変形を本実施の形態に施したものや、異なる実施の形態における構成要素を組み合わせて構築される形態も、一つまたは複数の態様の範囲内に含まれてもよい。
本開示に係る撮像装置は、屋外で使われる場合は、広ダイナミックレンジを要求される監視カメラ又は車載カメラなどに適している。屋内で使われる場合は、蛍光観察又は工場内の監視などにも適用できる。また、医療分野では本開示に係る撮像装置を内視鏡に使用すれば小規模光源で済むので、より小型化したカメラを開発できる。さらに、デジタルレントゲンなどに使うX線カメラにおいては、より少ないX線照射で撮影できるので、患者の被爆量を軽減できる。
100、100A、100B 撮像装置
101、101B イメージセンサ
102、102B 制御回路
103 画素アレイ
104 垂直走査回路
105 相関二重サンプリング回路
106 水平走査回路
107 出力アンプ
110、110A 画素回路
121 コモン電極
122 p+層
123 p−層
124 p層
125 n層
130、130B カメラシステム
131 アナログフロントエンド
132 信号処理回路
133 タイミングジェネレータ
134 A/D部
135 Y/C処理部
136 符号化部
137 照度検出部
141、142、143、144 バッファ回路
APD アバランシェフォトダイオード
MALLRES ALLRESETトランジスタ
MEM メモリ素子
MLG ロードトランジスタ
MSF 増幅トランジスタ
MTG 転送トランジスタ
MREAD 読み出しトランジスタ
MRES リセットトランジスタ
MSEL 選択トランジスタ
SIGNAL 垂直信号線

Claims (16)

  1. 行列状に複数の画素が配列された画素アレイと、制御回路とを備え、
    前記画素アレイは、
    アバランシェフォトダイオードと、
    前記アバランシェフォトダイオードで発生した信号電荷を蓄積する電荷蓄積部と、
    前記電荷蓄積部を初期化するリセットトランジスタと、
    前記アバランシェフォトダイオードと前記電荷蓄積部とを接続する転送トランジスタと、
    前記信号電荷を電圧に変換する増幅トランジスタとを有し、
    前記制御回路は、
    前記アバランシェフォトダイオードに接続され、
    (i)第1の垂直走査期間で第1のフレームの露光期間を設け、第2の垂直走査期間で第1のフレームの読み出し期間を設けた後、第3の垂直走査期間で第2のフレームの露光期間を設ける前の第1のタイミングで又は、(ii)第1の垂直走査期間で第1のフレームの露光期間を設けた後、第2の垂直走査期間で第1のフレームの読み出し期間と第2のフレームの露光期間を同時に設ける前の第2のタイミングで、前記アバランシェフォトダイオードの増倍率を変更する
    撮像装置。
  2. 前記制御回路は、予め設定した閾値と前記画素アレイを含むイメージセンサの出力値を比較し、比較結果によって、前記増倍率を変更する
    請求項1に記載の撮像装置。
  3. 前記制御回路は、前記複数の画素の全てに対して前記増倍率を同時に変更する
    請求項1又は2に記載の撮像装置。
  4. 前記制御回路が、前記第1のタイミングで前記増倍率を変更する場合において、
    前記露光期間は、行毎に決定されている
    請求項1から3のいずれか1項に記載の撮像装置。
  5. 前記制御回路が、前記第1のタイミングで前記増倍率を変更する場合において、
    前記露光期間は、全画素で同じである
    請求項1から3のいずれか1項に記載の撮像装置。
  6. 前記制御回路は、増倍率の変更を2垂直走査期間おきに行い、
    増倍率の異なる前記信号電荷からなる2つの画像を2垂直走査期間おきに交互に出力する
    請求項1から5のいずれか1項に記載の撮像装置。
  7. 前記制御回路は、増倍率の変更を2垂直走査期間おきに行い、
    増倍率の異なる前記信号電荷からなる2つの画像を合成して、1つの画像を出力する
    請求項1から5のいずれか1項に記載の撮像装置。
  8. 前記制御回路が、前記第2のタイミングで前記増倍率を変更する場合において、
    前記画素アレイは、さらに、
    前記電荷蓄積部と前記増幅トランジスタとの間に配置されたメモリ素子と、
    前記電荷蓄積部と前記メモリ素子との間に配置された読み出しトランジスタとを備え、
    前記露光期間は、全画素で同じであり、
    前記露光期間中、前記読み出しトランジスタはオフされており、信号の読み出しが行われる
    請求項1から3のいずれか1項に記載の撮像装置。
  9. 前記制御回路は、増倍率の変更を1垂直走査期間おきに行い、
    前記撮像装置は、増倍率の異なる前記信号電荷からなる2つの画像を1垂直走査期間おきに交互に出力する
    請求項8に記載の撮像装置。
  10. 前記制御回路は、増倍率の変更を1垂直走査期間おきに行い、
    前記撮像装置は、増倍率の異なる前記信号電荷からなる2つの画像を合成して、1つの画像を出力する
    請求項8に記載の撮像装置。
  11. 行列状に複数の画素が配列された画素アレイと、制御回路とを備え、
    前記画素アレイは、
    ウェル領域に設けられたアバランシェフォトダイオードと、
    前記アバランシェフォトダイオードで発生した信号電荷を蓄積する電荷蓄積部と、
    前記電荷蓄積部を初期化するリセットトランジスタと、
    前記アバランシェフォトダイオードと前記電荷蓄積部とを接続する転送トランジスタと、
    前記信号電荷を電圧に変換する増幅トランジスタとを有し、
    前記制御回路は、
    前記リセットトランジスタのドレイン電位と、前記リセットトランジスタのゲート電位と、前記転送トランジスタのゲート電位と、前記ウェル領域の電位を行単位で制御する
    撮像装置。
  12. 前記制御回路は、予め設定した閾値と前記画素アレイを含むイメージセンサの出力値を比較し、比較結果によって、前記信号電荷の増倍率を変更する
    請求項11に記載の撮像装置。
  13. 前記アバランシェフォトダイオードの露光期間は、行毎に決定され、
    前記露光期間の終了後に、画素信号が行毎に読み出され、
    前記読み出し期間の終了後、次の露光期間の開始前に、前記制御回路が増倍率の変更を行う
    請求項11又は12に記載の撮像装置。
  14. 前記撮像装置は、増倍率の異なる前記信号電荷からなる2つの画像を1垂直走査期間おきに交互に出力する
    請求項11から13のいずれか1項に記載の撮像装置。
  15. 前記撮像装置は、増倍率の異なる前記信号電荷からなる2つの画像を合成した1つの画像を出力する
    請求項11から13のいずれか1項に記載の撮像装置。
  16. 請求項1から15のいずれか1項に記載された撮像装置と、
    前記撮像装置と接続された信号処理回路とを備え、
    前記信号処理回路は、前記撮像装置からの出力に基づいて照度検出を行い、前記照度検出に基づく信号を、前記制御回路に出力する
    カメラシステム。
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