JP7033739B2 - 固体撮像素子、固体撮像装置、固体撮像システム、固体撮像素子の駆動方法 - Google Patents
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Description
図1は、実施形態による固体撮像システム10の構成を例示している。この固体撮像システム10は、被写界の撮像とフォトンカウンティングを利用した距離測定とを行うように構成されている。具体的には、固体撮像装置20と、光源30と、制御部40とを備えている。固体撮像装置20は、画素領域21と、駆動処理部22とを備えている。
画素領域21は、P×Q個(P,Qは2以上の整数)の固体撮像素子100と、Q本の垂直信号線110とを有している。P×Q個の固体撮像素子100は、P行Q列のマトリクス状に配列されている。Q本の垂直信号線110は、P×Q個の固体撮像素子100のQ個の固体撮像素子列にそれぞれ対応している。
図2は、固体撮像素子100の構成を例示している。固体撮像素子100は、受光部200と、電荷蓄積部300と、第1電荷転送部400と、出力部500と、電荷蓄積キャパシタ600と、第2電荷転送部700と、第1リセット部800と、第2リセット部900とを備えている。
受光部200は、露光状態と遮光状態とに切り換え可能に構成されている。そして、受光部200は、露光状態において受光した光に応じた電荷を生成するように構成されている。なお、受光部200は、遮光状態では電荷を生成しない。この例では、受光部200は、露光信号EXPに応答して露光状態と遮光状態とに切り換えられる。
電荷蓄積部300は、電荷を蓄積するように構成されている。この例では、電荷蓄積部300は、フローティングディフュージョン部301を有している。
第1電荷転送部400は、受光部200から電荷蓄積部300へ電荷を転送するように構成されている。この例では、第1電荷転送部400は、転送制御信号TRNに応答して受光部200から電荷蓄積部300へ電荷を転送する。具体的には、この例では、第1電荷転送部400は、転送トランジスタ401を有している。
出力部500は、電荷蓄積部300に蓄積された電荷に応じた信号を出力するように構成されている。この例では、出力部500は、選択制御信号SELに応答して電荷蓄積部300に蓄積された電荷に応じた信号を出力する。具体的には、この例では、出力部500は、増幅トランジスタ501と、選択トランジスタ502とを有している。
電荷蓄積キャパシタ600は、電荷を蓄積するように構成されている。
第2電荷転送部700は、電荷蓄積部300と電荷蓄積キャパシタ600の一端との間において電荷を双方向に転送するように構成されている。この例では、第2電荷転送部700は、スイッチング制御信号SWTに応答して電荷蓄積部300から電荷蓄積キャパシタ600の一端へ(または電荷蓄積キャパシタ600の一端から電荷蓄積部300へ)電荷を転送する。具体的には、この例では、第2電荷転送部700は、スイッチングトランジスタ701と、整流要素702と、電位制御ノード703とを有している。
第1リセット部800は、中間電位VFD(電荷蓄積部300の電位、この例ではフローティングディフュージョン部301の電位)をリセットするように構成されている。この例では、第1リセット部800は、第1リセット制御信号RS1に応答して中間電位VFDをリセットする。具体的には、この例では、第1リセット部800は、第1リセットトランジスタ801を有している。
第2リセット部900は、記憶電位VCNT(電荷蓄積キャパシタ600の一端の電位)をリセットするように構成されている。この例では、第2リセット部900は、第2リセット制御信号RS2に応答して記憶電位VCNTをリセットする。具体的には、この例では、第2リセット部900は、第2リセットトランジスタ901を有している。
図1に戻って、駆動処理部22は、P×Q個の固体撮像素子100を駆動させるように構成されている。この例では、駆動処理部22は、露光信号EXPと転送制御信号TRNと選択制御信号SELとスイッチング制御信号SWTと第1リセット制御信号RS1と第2リセット制御信号RS2とをP×Q個の固体撮像素子100の各々に供給することでP×Q個の固体撮像素子100を駆動させる。
画素駆動回路25は、制御部40による制御に応答して露光信号EXPと転送制御信号TRNとスイッチング制御信号SWTと第1リセット制御信号RS1と第2リセット制御信号RS2とをP×Q個の固体撮像素子100の各々に供給するように構成されている。
垂直シフトレジスタ26は、制御部40による制御に応答して選択制御信号SELをP×Q個の固体撮像素子100の各々に供給するように構成されている。そして、垂直シフトレジスタ26は、P×Q個の固体撮像素子100のP個の固体撮像素子行を順次選択する。この例では、垂直シフトレジスタ26は、P×Q個の固体撮像素子100のP個の固体撮像素子行のうち選択された固体撮像素子行に含まれるQ個の固体撮像素子100に供給される選択制御信号SELの信号レベルをローレベルからハイレベルにする。
相関二重サンプリング回路27は、Q本の垂直信号線110にそれぞれ出力されたQ個の信号の各々に対して相関二重サンプリング処理を行うように構成されている。具体的には、相関二重サンプリング回路27は、垂直信号線110に出力された信号のうち後述する信号期間における信号レベルと後述するリセット期間における信号レベルとをサンプリングし、これらの信号レベルの差に応じた信号を出力する。このように、相関二重サンプリング処理が行われることにより、Q個の信号からオフセット成分が除去される。
水平シフトレジスタ28は、相関二重サンプリング回路27において処理されたQ個の信号を順次転送するように構成されている。この例では、2つの水平シフトレジスタ28が設けられており、2つの相関二重サンプリング回路27のうち一方の相関二重サンプリング回路27において処理されたQ個の信号が一方の水平シフトレジスタ28により順次転送され、他方の相関二重サンプリング回路27において処理されたQ個の信号が他方の水平シフトレジスタ28により順次転送される。
出力回路29は、水平シフトレジスタ28により転送された信号を予め定められた増幅利得で増幅して出力するように構成されている。この例では、2つの出力回路29が設けられており、2つの水平シフトレジスタ28のうち一方の水平シフトレジスタ28から一方の出力回路29に信号が転送され、他方の水平シフトレジスタ28から他方の出力回路29に信号が転送される。
光源30は、信号光L1を照射するように構成されている。この例では、光源30は、予め定められたパルス幅Aを有する信号光L1(パルス光)を照射する。例えば、光源30は、必要に応じて光を拡散させることにより三次元情報(距離情報)を取得したい箇所全体に光を照射するように構成されている。なお、光源30は、例えば、LEDによって構成されている。
制御部40は、固体撮像装置20の動作および光源30の動作を制御するように構成されている。例えば、制御部40は、CPUなどの演算処理部と、演算処理部を動作させるためのプログラムや情報などを記憶するメモリなどの記憶部とによって構成されている。
駆動制御部41は、固体撮像装置20の駆動処理部22の動作および光源30の動作を制御するように構成されている。また、この例では、駆動制御部41は、距離検出制御と撮像制御とを行うように構成されている。
情報出力部42は、複数の距離検出期間の各々における画素駆動回路25のフォトンカウンティング動作において出力部500により出力された信号に基づいて対象物までの距離に関する情報(距離情報)を出力するように構成されている。この例では、情報出力部42は、それぞれが対象物までの距離に応じた値を示すP×Q個の距離値により構成された三次元情報(距離画像)を出力する。
次に、図3を参照して、フォトンカウンティングを利用した距離測定の原理について説明する。この例では、TOF(Time Of Flight)方式の距離測定方法に、フォトンカウンティングが利用されている。
次に、図4および図5を参照して、駆動制御部41による距離検出制御について説明する。この例では、図3に示したN個の距離区間にそれぞれ対応するN個の距離検出期間の各々において距離検出制御(ステップST102~ST111)が行われる。また、距離検出制御では、駆動処理部22は、N個の距離区間にそれぞれ対応するN個の距離検出期間においてフォトンカウンティング動作を行う。また、光源30は、N個の距離検出期間の各々においてM個(Mは1以上の整数)の信号光L1を照射する。すなわち、N個の距離検出期間の各々において信号光L1がM回照射される。なお、図5は、N個の距離検出期間のうち第K番目の距離検出期間において光源30が2つの信号光L1を照射する場合(M=2の場合)を例示している。
まず、駆動制御部41は、N個の距離区間の中から第1番目の距離区間を距離検出制御の対象として選択する。これにより、第1番目の距離区間に対応する第1番目の距離検出期間が開始される。なお、以下では、距離検出制御の対象として選択されている距離区間を「第K番目(Kは1以上でN以下の整数)の距離区間」と記載する。
第K番目の距離区間に対応する距離検出期間(以下「第K番目の距離検出期間」と記載)が開始されると、駆動処理部22は、駆動制御部41による制御に応答して、受光部200の電位(この例では光電変換要素201の電位、以下「入力電位VPD」と記載)と中間電位VFDと記憶電位VCNTとがリセットされるように、P×Q個の固体撮像素子100を駆動させる。
次に、駆動制御部41は、第K番目の距離検出期間において照射すべきM個の信号光L1のうち第1番目の信号光L1を照射処理の対象として選択する。なお、以下では、照射処理の対象として選択されている信号光L1を「第J番目(Jは1以上でM以下の整数)の信号光」と記載する。
次に、光源30は、駆動制御部41による制御に応答して第J番目の信号光L1を照射する。この例では、信号光L1のパルス幅は、パルス幅Aに設定されている。
次に、駆動処理部22は、駆動制御部41による制御に応答して、光源30から第J番目の信号光L1が照射された時刻から第K番目の距離検出期間(すなわち第K番目の距離区間)に対応する遅延時間TDが経過すると、受光部200が予め定められた露光時間だけ露光状態となるように、P×Q個の固体撮像素子100を駆動させる。なお、この例では、第J番目の信号光L1に対応する露光時間は、第J番目の信号光L1のパルス幅(この例ではパルス幅A)に対応する時間に設定されている。また、第K番目の距離検出期間に対応する遅延時間TDは、次の式のように設定されている。
次に、駆動処理部22は、駆動制御部41による制御に応答して、受光部200により生成された電荷が第1電荷転送部400により電荷蓄積部300に転送された後に、電荷蓄積部300に蓄積された電荷が第2電荷転送部700により電荷蓄積キャパシタ600に転送されるように、P×Q個の固体撮像素子100を駆動させる。
次に、駆動制御部41は、第K番目の距離検出期間において照射すべきM個の信号光L1の全部が照射処理の対象として選択されたか否か(すなわちM回の信号光L1の照射が完了したか否か)を判定する。第K番目の距離検出期間において照射すべきM個の信号光L1の全部が照射処理の対象として選択されていない場合には、ステップST108へ進み、そうでない場合には、ステップST110へ進む。
第K番目の距離検出期間において照射すべきM個の信号光L1の全部が照射処理の対象として選択されていない場合、駆動制御部41は、第K番目の距離検出期間において照射すべきM個の信号光L1のうち第J番目の信号光L1の次の信号光(第J+1番目の信号光L1)を次の照射処理の対象として選択する。
次に、駆動処理部22は、駆動制御部41による制御に応答して、入力電位VPDと中間電位VFDがリセットされるように、P×Q個の固体撮像素子100を駆動させる。そして、ステップST104へ進む。
一方、ステップST107において第K番目の距離検出期間において照射すべきM個の信号光L1の全部が照射処理の対象として選択されている場合(すなわちM回の信号光L1の照射が完了している場合)、駆動処理部22は、駆動制御部41による制御に応答して、中間電位VFDがリセットされた後に、電荷蓄積キャパシタ600に蓄積された電荷が第2電荷転送部700により電荷蓄積部300に転送されるように、P×Q個の固体撮像素子100を駆動させる。
次に、駆動処理部22は、駆動制御部41による制御に応答して、電荷蓄積部300に蓄積された電荷に応じた信号が出力部500により出力されるように、P×Q個の固体撮像素子100をP個の固体撮像素子行毎に駆動させる。これにより、P×Q個の固体撮像素子100の各々の電荷蓄積部300に蓄積された電荷に応じた信号が相関二重サンプリング回路27と水平シフトレジスタ28と出力回路29とを経由して制御部40の情報出力部42に供給される。すなわち、情報出力部42には、それぞれがカウント値を示すP×Q個の信号値からなる情報(カウント画像)が供給される。なお、カウント値は、電荷蓄積キャパシタ600に蓄積された電荷の量に応じた値であり、この例では、露光状態の受光部200が受光した反射光L2の数に応じた値となっている。また、この例では、電荷蓄積キャパシタ600に蓄積された電荷の量が多くなる(露光状態の受光部200が受光した反射光L2の数が多くなる)に連れてカウント値が大きくなる。
次に、駆動制御部41は、N個の距離区間の全部が距離検出制御の対象として選択されたか否か(すなわちN個の距離区間にそれぞれ対応するN個の距離検出処理が完了したか否か)を判定する。N個の距離区間の全部が距離検出制御の対象として選択されていない場合には、ステップST113へ進み、N個の距離区間の全部が距離検出制御の対象として選択されている場合には、処理を終了する。
次に、駆動制御部41は、N個の距離区間のうち第K番目の距離区間の次の距離区間(第K+1番目の距離区間)を次の距離検出制御の対象として選択する。次に、ステップST102へ進む。
次に、情報出力部42による動作について説明する。N個の距離区間にそれぞれ対応するN回の距離検出処理が完了すると、情報出力部42は、N個の距離区間にそれぞれ対応するN個のカウント画像(それぞれがカウント値を示すP×Q個の信号値からなる情報)を取得する。そして、情報出力部42は、これらのN個のカウント画像に基づいて距離画像(それぞれが対象物までの距離に応じた値を示すP×Q個の距離値により構成された三次元情報)を生成し、その距離画像を出力する。
次に、図6を参照して、駆動制御部41による撮像制御について説明する。撮像制御では、駆動処理部22は、駆動制御部41による制御に応答して撮像動作を行う。
まず、駆動処理部22は、駆動制御部41による制御に応答して、入力電位VPDと中間電位VFDとがリセットされるように、P×Q個の固体撮像素子100を駆動させる。
次に、駆動処理部22は、駆動制御部41による制御に応答して、受光部200が予め定められた露光時間だけ露光状態となるように、P×Q個の固体撮像素子100を駆動させる。これにより、受光部200が露光状態となり、受光部200が受光した光に応じた電荷が生成され、その生成された電荷の量に応じて入力電位VPDが変化する。
次に、駆動処理部22は、駆動制御部41による制御に応答して、受光部200により生成された電荷が第1電荷転送部400により電荷蓄積部300に転送されるように、P×Q個の固体撮像素子100を駆動させる。これにより、受光部200から第1電荷転送部400を経由して電荷蓄積部300に電荷が転送され、その転送された電荷の量に応じて中間電位VFDが変化する。
次に、駆動処理部22は、駆動制御部41による制御に応答して、電荷蓄積部300に蓄積された電荷に応じた信号が出力部500により出力されるように、P×Q個の固体撮像素子100をP個の固体撮像素子行毎に駆動させる。これにより、P×Q個の固体撮像素子100の各々の電荷蓄積部300に蓄積された電荷に応じた信号が相関二重サンプリング回路27と水平シフトレジスタ28と出力回路29とを経由して制御部40に供給される。すなわち、制御部40には、それぞれが輝度に応じた値を示すP×Q個の信号値からなる情報(輝度画像)が供給される。
以上のように、電荷蓄積キャパシタ600に蓄積された電荷を第2電荷転送部700により電荷蓄積部300に転送して電荷蓄積部300に蓄積された電荷に応じた信号を出力部500により出力することにより、電荷蓄積キャパシタ600に蓄積された電荷に応じた信号を出力することができる。これにより、電荷蓄積キャパシタ600に蓄積された電荷に応じた信号を出力するための構成(出力部500とは異なる構成)を別途設けなくてもよくなるので、固体撮像素子100の回路規模を低減することができる。
図6に示すように、固体撮像素子100において、受光部200は、複数の光電変換要素201を有していてもよい。複数の光電変換要素201は、それぞれが受光した光に応じた電荷を生成するように構成されている。そして、受光部200は、露光状態において複数の光電変換要素201を露光させるように構成されていてもよい。また、第1電荷転送部400は、複数の転送トランジスタ401を有していてもよい。複数の転送トランジスタ401は、複数の光電変換要素201と電荷蓄積部300のフローティングディフュージョン部301との間にそれぞれ接続されている。複数の転送トランジスタ401の各々のゲートには、転送制御信号TRNが印加される転送制御ノード402に接続されている。
以上の説明では、ステップST111において出力部500から垂直信号線110に出力される信号において信号期間の後にリセット期間がある場合を例に挙げたが、出力部500から垂直信号線110に出力される信号においてリセット期間の後に信号期間があってもよい。具体的には、駆動処理部22は、ステップST111において、中間電位VFD(電荷蓄積部300の電位)がリセットされて電荷蓄積部300に蓄積された電荷に応じた信号(リセットレベルの信号)が出力部500により垂直信号線110に出力された後に、第2電荷転送部700により電荷蓄積キャパシタ600に蓄積された電荷が電荷蓄積部300に転送されて出力部500により出力される信号の信号レベルが変化するように、固体撮像素子100を駆動させてもよい。
20 固体撮像装置
21 画素領域
22 駆動処理部
25 画素駆動回路
26 垂直シフトレジスタ
27 相関二重サンプリング回路
28 水平シフトレジスタ
29 出力回路
30 光源
40 制御部
41 駆動制御部
42 情報出力部
100 固体撮像素子
200 受光部
201 光電変換要素
300 電荷蓄積部
301 フローティングディフュージョン部
400 第1電荷転送部
401 転送トランジスタ
500 出力部
501 増幅トランジスタ
502 選択トランジスタ
600 電荷蓄積キャパシタ
700 第2電荷転送部
701 スイッチングトランジスタ
702 整流要素
710 整流トランジスタ
800 第1リセット部
801 第1リセットトランジスタ
900 第2リセット部
901 第2リセットトランジスタ
Claims (9)
- 露光状態と遮光状態とに切り換え可能に構成され、該露光状態において受光した光に応じた電荷を生成する受光部と、
前記電荷を蓄積する電荷蓄積部と、
前記受光部から前記電荷蓄積部へ前記電荷を転送する第1電荷転送部と、
前記電荷蓄積部に蓄積された電荷に応じた信号を出力する出力部と、
前記電荷を蓄積する電荷蓄積キャパシタと、
前記電荷蓄積部と前記電荷蓄積キャパシタの一端との間において前記電荷を双方向に転送する第2電荷転送部とを備え、
前記第2電荷転送部は、
前記電荷蓄積部と前記電荷蓄積キャパシタの一端との間に直列に接続されたスイッチングトランジスタおよび整流要素と、
前記電荷蓄積キャパシタの他端に接続される電位制御ノードとを有し、
前記整流要素は、前記電荷蓄積キャパシタの一端から前記電荷蓄積部へ向かう方向が順方向となるように構成され、
前記電位制御ノードには、前記電荷蓄積キャパシタから前記電荷蓄積部へ前記電荷を転送する場合に該電荷蓄積キャパシタの一端の電位が該電荷蓄積部の電位よりも高くなるよう電位制御信号が印加される
ことを特徴とする固体撮像素子。 - 請求項1において、
前記整流要素は、ダイオード接続された整流トランジスタによって構成されている
ことを特徴とする固体撮像素子。 - 請求項1または2において、
前記受光部は、受光した光に応じた電荷を生成する光電変換要素を有し、前記露光状態において該光電変換要素を露光させるように構成され、
前記第1電荷転送部は、前記光電変換要素と前記電荷蓄積部との間に接続された転送トランジスタを有している
ことを特徴とする固体撮像素子。 - 請求項1または2において、
前記受光部は、それぞれが受光した光に応じた電荷を生成する複数の光電変換要素を有し、前記露光状態において該複数の光電変換要素を露光させるように構成され、
前記第1電荷転送部は、前記複数の光電変換要素と前記電荷蓄積部との間にそれぞれ接続された複数の転送トランジスタを有している
ことを特徴とする固体撮像素子。 - 固体撮像素子と、
前記固体撮像素子を駆動する駆動処理部とを備え、
前記固体撮像素子は、
露光状態と遮光状態とに切り換え可能に構成され、該露光状態において受光した光に応じた電荷を生成する受光部と、
前記電荷を蓄積する電荷蓄積部と、
前記受光部から前記電荷蓄積部へ前記電荷を転送する第1電荷転送部と、
前記電荷蓄積部に蓄積された電荷に応じた信号を出力する出力部と、
前記電荷を蓄積する電荷蓄積キャパシタと、
前記電荷蓄積部と前記電荷蓄積キャパシタの一端との間において前記電荷を双方向に転送する第2電荷転送部とを有し、
前記駆動処理部は、前記受光部により生成された電荷が前記第1電荷転送部により前記電荷蓄積部に転送されて該電荷蓄積部に蓄積された電荷が前記第2電荷転送部により前記電荷蓄積キャパシタに転送される転送動作が予め定められた回数だけ行われた後に、該電荷蓄積キャパシタに蓄積された電荷が該第2電荷転送部により該電荷蓄積部に転送されて該電荷蓄積部に蓄積された電荷に応じた信号が前記出力部により出力されるように、前記固体撮像素子を駆動させるフォトンカウンティング動作を行う
ことを特徴とする固体撮像装置。 - 請求項5において、
前記駆動処理部は、前記受光部により生成された電荷が前記第1電荷転送部により前記電荷蓄積部に転送されて該電荷蓄積部に蓄積された電荷に応じた信号が前記出力部により出力されるように、前記固体撮像素子を駆動させる撮像動作を行う
ことを特徴とする固体撮像装置。 - 請求項5または6に記載の固体撮像装置と、
信号光を照射する光源と、
前記固体撮像装置の動作および前記光源の動作を制御する制御部とを備えている
ことを特徴とする固体撮像システム。 - 請求項7において、
前記制御部は、
複数の距離区間にそれぞれ対応する複数の距離検出期間の各々において前記駆動処理部により前記フォトンカウンティング動作が行われ、該複数の距離検出期間の各々における該フォトンカウンティング動作の転送動作において、前記光源から前記信号光が照射された時点から該距離検出期間に対応する遅延時間が経過した後に前記受光部が露光状態となり、該受光部により生成された電荷が前記第1電荷転送部により前記電荷蓄積部に転送され、該電荷蓄積部に蓄積された電荷が前記第2電荷転送部により前記電荷蓄積キャパシタに転送されるように、前記駆動処理部の動作および前記光源の動作を制御する距離検出制御を行う駆動制御部と、
前記複数の距離検出期間の各々における前記駆動処理部のフォトンカウンティング動作において前記出力部により出力された信号に基づいて対象物までの距離に関する情報を出力する情報出力部とを有している
ことを特徴とする固体撮像システム。 - 露光状態と遮光状態とに切り換え可能に構成され、該露光状態において受光した光に応じた電荷を生成する受光部と、前記電荷を蓄積する電荷蓄積部と、前記受光部から前記電荷蓄積部へ前記電荷を転送する第1電荷転送部と、前記電荷蓄積部に蓄積された電荷に応じた信号を出力する出力部と、前記電荷を蓄積する電荷蓄積キャパシタと、前記電荷蓄積部と前記電荷蓄積キャパシタの一端との間において前記電荷を双方向に転送する第2電荷転送部とを備えた固体撮像素子の駆動方法であって、
前記受光部により生成された電荷が前記第1電荷転送部により前記電荷蓄積部に転送されて該電荷蓄積部に蓄積された電荷が前記第2電荷転送部により前記電荷蓄積キャパシタに転送される転送動作が予め定められた回数だけ行われるように、前記固体撮像素子を駆動させる第1工程と、
前記第1工程の後に、前記電荷蓄積キャパシタに蓄積された電荷が前記第2電荷転送部により前記電荷蓄積部に転送されて該電荷蓄積部に蓄積された電荷に応じた信号が前記出力部により出力されるように、前記固体撮像素子を駆動させる第2工程とを備えている
ことを特徴とする固体撮像素子の駆動方法。
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
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