JP7142273B2 - 撮像装置 - Google Patents
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Description
って個々に提供され、これらの1つ以上を得るために全てを必要とはしない。
第1光電変換部と、第1光電変換部で発生した電気信号を検出する第1信号検出回路と、を含む第1撮像セルを備え、
第1信号検出回路は、ソースおよびドレインの一方が第1光電変換部に電気的に接続される第1トランジスタと、一端が第1トランジスタのソースおよびドレインの他方と電気的に接続され、他端に基準電位が印加される第1容量素子と、ゲートが第1光電変換部に電気的に接続される第2トランジスタと、を含み、
第1撮像セルは、第1トランジスタがオフの状態における信号である第1画像信号と、第1トランジスタがオンの状態における信号である第2画像信号とを、1フレーム期間内において順次に出力する、撮像装置。
それぞれが、第1光電変換部と、第1光電変換部で発生した電気信号を検出する第1信号検出回路と、を含む複数の第1撮像セルを備え、
第1信号検出回路は、ソースおよびドレインの一方が第1光電変換部に電気的に接続される第1トランジスタと、一端が第1トランジスタのソースおよびドレインの他方と電気的に接続され、他端に基準電位が印加される第1容量素子と、ゲートが第1光電変換部に接続される第2トランジスタと、を含み、
1フレーム期間内において、複数の第1撮像セルのうちの一部は、第1トランジスタがオフの状態における信号である第1画像信号を出力し、一部以外の1以上の第1撮像セルは、一部からの第1画像信号の出力時に、第1トランジスタがオンの状態における信号である第2画像信号を出力する、撮像装置。
第2光電変換部と、第2光電変換部で発生した電気信号を検出する第2信号検出回路と、を含む第2撮像セルをさらに備え、
第2信号検出回路は、一端が第2光電変換部に電気的に接続され、他端に基準電位が印加される第3容量素子と、ゲートが第2光電変換部に電気的に接続される第3トランジスタと、を含む、項目1に記載の撮像装置。
第1信号検出回路は、一端が第1光電変換部に電気的に接続され、他端が第1トランジスタのソースおよびドレインの他方に電気的に接続される第2容量素子を含み、
第2容量素子の容量値は、第1容量素子の容量値よりも小さい、項目1から3のいずれかに記載の撮像装置。
第1光電変換部で発生した電気信号を負帰還させる帰還経路を形成する第1フィードバック回路をさらに備える、項目1から4のいずれかに記載の撮像装置。
第1トランジスタのソースおよびドレインの一方は、第1光電変換部との接続を有し、
第1フィードバック回路は、第1光電変換部で発生した電気信号を第1トランジスタのソースおよびドレインの他方に負帰還させる、項目5に記載の撮像装置。
第2光電変換部と、第2光電変換部で発生した電気信号を検出する第2信号検出回路とを含む第2撮像セルと、
第2光電変換部で発生した電気信号を負帰還させる帰還経路を形成する第2フィードバック回路と、
をさらに備え、
第2信号検出回路は、一端が第2光電変換部に電気的に接続され、他端に基準電位が印加される第3容量素子と、ゲートが第2光電変換部に接続される第3トランジスタと、を含む、項目5または6に記載の撮像装置。
第2信号検出回路は、第2光電変換部と、第3容量素子の一端との間に接続されたトランジスタを含まない、項目7に記載の撮像装置。
第1光電変換部と、第1光電変換部で発生した電気信号を検出する第1信号検出回路と、を含む第1撮像セルを備え、
第1信号検出回路は、ソースおよびドレインの一方が第1光電変換部に電気的に接続される第1トランジスタと、一端が第1トランジスタのソースおよびドレインの他方と電気的に接続され、他端に基準電位が印加させる第1容量素子と、ゲートが第1光電変換部に接続される第2トランジスタと、を含み、
1フレーム期間内において、第1撮像セルは、第1トランジスタがオフの状態における信号である第1画像信号および第1トランジスタがオフの状態における信号である第2画像信号のいずれか一方を、第1光電変換部で発生した電気信号の大きさに基づいて選択的に出力する、撮像装置。
第1信号検出回路に電気的に接続される感度切り替え回路をさらに備え、
第1信号検出回路は、ゲートが感度切り替え回路に接続され、第1トランジスタに対し直列に接続される第3トランジスタをさらに備え、
感度切り替え回路は、第1トランジスタがオフの状態において検出された信号の大きさに基づいて第3トランジスタをオンまたはオフする、項目9に記載の撮像装置。
感度切り替え回路は、第1トランジスタがオフの状態において検出された信号の大きさと、基準信号の大きさとを比較する比較器を含む、項目10に記載の撮像装置。
図1は、本開示の第1の実施形態による撮像装置の例示的な構成を示す。図1に示す撮像装置100Aは、複数の撮像セル10aを含む画素アレイPAと、周辺回路とを有する。撮像セル10aは、例えば半導体基板に2次元に配列されることにより、撮像領域を形成する。この例では、撮像セル10aが、m行n列のマトリクス状に配置されている。
有する。ここでは、j=0~n-1であり、nは1以上の整数である。複数の撮像セル10aのうち、第j列に属する、1以上の撮像セル10aは、出力信号線Sjに接続されて
おり、行走査回路80によって行単位で選択された撮像セル10aからの出力信号は、出力信号線Sjを介して列回路82に読み出される。列回路82は、撮像セル10aから読
み出された出力信号に対し、相関二重サンプリングに代表される雑音抑圧信号処理、アナログ-デジタル変換(AD変換)などを行う。
像の形成に用いられる出力信号を指す。後に詳しく説明するように、第1の実施形態では、高感度の状態とされた撮像セル10aからの画像信号(以下、「高感度信号」と呼ぶことがある。)の読み出しと、低感度の状態とされた撮像セル10aからの画像信号(以下、「低感度信号」と呼ぶことがある。)の読み出しとが実行される。信号処理回路84は、これらの高感度信号および低感度信号に基づき、広ダイナミックレンジ画像を形成する。信号処理回路84の出力は、出力回路86を介して撮像装置100Aの外部に読み出される。
aからなる画素ブロックごとに、異なる電圧を供給しても構わない。画素ブロックごとに異なる電圧を供給することにより、画素ブロックごとに感度を異ならせることができる。電圧Vpは、行走査回路80(図1参照)から供給されてもよいし、その他の電源回路から供給されてもよい。
配線(ソースフォロア電源)との接続を有する。信号検出トランジスタ26と、出力信号線Sjに接続された定電流源CCjとによって、ソースフォロア回路が形成される。撮像装置100Aの動作時、信号検出トランジスタ26は、ドレインに電源電圧VDD(例えば3.3V程度)の供給を受けることにより、ゲートに印加された電圧を増幅する。換言すれば、信号検出トランジスタ26は、光電変換部11によって生成された信号を増幅する。
ドレス制御線Aiは、典型的には、行走査回路80(図1参照)に接続されており、行走
査回路80は、アドレス制御線Aiに印加する電圧ADの制御により、アドレストランジ
スタ28のオンおよびオフを制御することができる。
or-metal)構造を有していてもよい。MIM構造を採用することにより、より大きな容量値を得やすい。なお、本明細書において、「容量素子(capacitor)」は、電極の間に絶
縁膜などの誘電体が挟まれた構造を意味する。本明細書における「電極」は、金属から形成された電極に限定されず、ポリシリコン層などを広く含むように解釈される。本明細書における「電極」は、半導体基板の一部分であり得る。
ランジスタ24におけるオンおよびオフを切り替えることができる。リセットトランジスタ24をオフとすることにより、撮像セル10a内において、第1容量素子21および第2容量素子22が直列に接続された容量回路を電荷蓄積ノードFDと基準電位VRとの間に形成することができる。後述するように、第1の実施形態では、1フレーム期間において、リセットトランジスタ24がオフの状態での信号の読み出し、および、リセットトランジスタ24がオンの状態での信号の読み出しを実行する。これにより、高感度信号および低感度信号を順次に取得することが可能である。なお、本明細書において、「順次に」とは、同時でないことを意味する。
幅器32jを含む。反転増幅器32jは、上述した周辺回路の一部であり得る。
ル10aとの接続を有する出力信号線Sjに接続される。一方、非反転入力端子は、撮像
装置100Aの動作時、所定の電圧(例えば1Vまたは1V近傍の正電圧)Vrefの供給を受ける。この電圧Vrefは、リセットにおける基準電圧として利用される。反転増幅器32jの出力端子は、フィードバック線Ljに接続される。
。図示するように、フィードバックトランジスタ34のゲートは、行走査回路80に接続されたフィードバック制御線Fiとの接続を有する。したがって、行走査回路80は、フ
ィードバック制御線Fiに印加する電圧FBの制御により、フィードバックトランジスタ
34におけるオンおよびオフを切り替えることができる。フィードバック制御線Fiに印
加される電圧FBは、ハイレベルおよびローレベルの電圧に限定されず、傾斜電圧(ramp
voltage)を含み得る。「傾斜電圧」は、時間の経過に伴って概ね増加または概ね減少す
る波形を有する電圧を広く含む。「傾斜電圧」は、直線状に増加または減少する電圧に限定されず、階段状の波形を有する電圧、振動を伴いながら増加または減少するような波形を有する電圧などであってもよい。
幅器32jをフィードバックアンプと呼んでもよい。
行される。換言すれば、ノイズキャンセルの実行は、行単位である。
図3は、第1の実施形態における信号読み出し動作の典型例を説明するためのタイミングチャートである。図3中、RSTpsは、画素アレイPAの各行におけるリセットの開始のタイミングを指定する電圧パルスを示す。ADi、RSTiおよびFBiは、それぞれ
、第i行のアドレス制御線Ai、リセット制御線Riおよびフィードバック制御線Fiに印
加される電圧の変化を示す。以下において説明する動作は、行単位で露光および信号の読み出しを行ういわゆるローリングシャッタを適用した例である。図3中、網掛けの矩形HR、LRおよびRRは、それぞれ、高感度信号、低感度信号およびリセット信号の読み出しの期間を示している。両矢印NRCは、信号の取得後のリセットおよびノイズキャンセルのための期間を示す。リセットおよびノイズキャンセルの詳細は、後述する。
撮像セル10aのアドレストランジスタ28、リセットトランジスタ24およびフィードバックトランジスタ34は、いずれもオフの状態である。なお、図が複雑となることを避けるため、図3には、露光前のリセットおよびノイズキャンセル、および、その後の露光期間は示されていない。
ランジスタ28をオンする。アドレストランジスタ28がオンすることにより、信号検出トランジスタ26を介して、蓄積された電荷量に応じた信号が出力信号線Sjに読み出さ
れる。
される。リセットトランジスタ24がオフのとき、光電変換部11と基準電位との間に、第1容量素子21および第2容量素子22が直列に接続された容量回路が形成される。電荷蓄積ノードFDの寄生容量の容量値をCfdとすれば、リセットトランジスタ24がオフの状態における、電荷蓄積領域全体の容量値は、(Cfd+(C1C2)/(C1+C2))と表される。上述したように、第2容量素子22の容量値C2は、典型的には、第1容量素子21の容量値C1と比較して十分に小さい。したがって、リセットトランジスタ24がオフの状態における、信号電荷の蓄積領域全体の容量値は、おおよそ(Cfd+C2)である。
ンジスタ24がオンとされることにより、第1容量素子21がリセットトランジスタ24を介して光電変換部11に接続される。第1容量素子21がリセットトランジスタ24を介して光電変換部11に接続されることにより、電荷蓄積領域全体の容量値が(Cfd+C2)から(Cfd+C1)に増大する。
ルからローレベルまで低下させることによって、ノイズキャンセルが実行されている。リセットおよびノイズキャンセルの実行後、出力信号線Sjの電圧を読み出すことにより、
リセット信号を取得する。リセット信号の読み出し期間は、AD変換のための期間を含み得る。リセット信号は、列回路82(図1参照)による相関二重サンプリングに利用される。相関二重サンプリングは、信号処理回路84によって実行されてもよい。
ここで、図2および図3を参照しながら、リセットおよびノイズキャンセルにおける動作の詳細を説明する。上述したように、リセットトランジスタ24およびフィードバックトランジスタ34をオンとすることにより、リセットが開始される。図2からわかるように、リセットトランジスタ24およびフィードバックトランジスタ34をオンとすることにより、電荷蓄積ノードFDとフィードバック線Ljとがリセットトランジスタ24およ
びフィードバックトランジスタ34を介して接続され、光電変換部11の信号をフィードバック(ここでは負帰還)させる帰還経路が形成される。フィードバックトランジスタ34は、帰還経路を形成するか否かを切り替える機能を有する。帰還経路の形成は、出力信号線Sjに接続された撮像セル10aのうち、アドレス制御線Aiの電圧ADiがハイレベ
ルとされることにより選択された行の撮像セル10aに対して実行される。
信号線Sjの電圧が、反転増幅器32jの非反転入力端子に印加された電圧Vrefに収束する。電圧Vrefとしては、電源電圧(例えば3.3V)および接地(0V)の範囲内の任意の大きさの電圧を用い得る。
の電圧をノイズキャンセル後の目標電圧Vrefに近づけておくことにより、比較的短い時間でkTCノイズをキャンセルすることができる。
とした直後におけるフィードバックトランジスタ34の動作帯域が比較的広帯域である。フィードバックトランジスタ34の動作帯域が広いと、ノイズを高速に抑制することが可能である。
トランジスタ34のしきい値電圧を跨ぐように、フィードバック制御線Fiの電位をハイ
レベルからローレベルに向けて徐々に低下させると、フィードバックトランジスタ34は、オン状態からオフ状態に徐々に変化する。このとき、フィードバック制御線Fiに印加
されている電圧FBiの低下に伴って、フィードバックトランジスタ34の抵抗が増加す
る。フィードバックトランジスタ34の抵抗が増加すると、フィードバックトランジスタ
34の動作帯域が狭くなり、帰還する信号の周波数領域が狭くなる。フィードバックトランジスタ34の動作帯域を信号検出トランジスタ26の動作帯域よりも十分に低い帯域とすることにより、ノイズ抑制効果を向上させることができる。
ンジスタ34の動作帯域が信号検出トランジスタ26の動作帯域よりも低い状態でフィードバックトランジスタ34をオフとすることにより、電荷蓄積ノードFDに残存するkTCノイズを低減することが可能である。
図4は、第1の実施形態による撮像装置の変形例を示す。図4に示す撮像装置100Bと、図1~図3を参照して説明した撮像装置100Aの相違点は、撮像装置100Bが、撮像セル10aに加えて、撮像セル10aよりも感度の低い第2の撮像セル10bを有する点である。以下に説明するように、撮像セル10aおよび撮像セル10bを用いることにより、よりダイナミックレンジの広いシーンの撮影が容易になる。以下では、撮像セル10bを低感度セル10bと呼ぶ。
ことができる。図示するように、アドレストランジスタ28bのゲートには、アドレス制御線Abiが接続されている。アドレス制御線Abiは、典型的には、行走査回路80(図1参照)に接続される。アドレス制御線Abiに印加する電圧ADbを制御することによ
り、低感度セル10bを行単位で選択して信号を読み出すことができる。アドレス制御線Abiは、撮像セル10aのアドレストランジスタ28のゲートに接続されたアドレス制
御線Aiと共通の信号線であり得る。
端子がフィードバック線Lbiに接続された反転増幅器32bjを含む。フィードバック線Lbiと電荷蓄積ノードFDbとの間には、フィードバックトランジスタ34bが接続さ
れる。
れている。フィードバック制御線Fbiに印加する電圧FBbを制御してフィードバック
トランジスタ34bをオンとすることにより、フィードバックトランジスタ34bおよび反転増幅器32bjをその経路の一部に含む帰還経路を形成することができる。フィード
バック制御線Fbiは、撮像セル10aのフィードバックトランジスタ34のゲートに接
続されたフィードバック制御線Fiと共通の信号線であり得る。
キャンセルにおけるフィードバック制御線Fiの電位の制御とほぼ同様であり得る。低感
度セル10bにおけるリセットは、フィードバックトランジスタ34bをオンすることによって開始する。例えば、ハイレベルからローレベルに向かって低下するようにフィードバック制御線Fbiの電位を制御することにより、フィードバックトランジスタ34bの
オフに伴って発生するkTCノイズを縮小することが可能である。なお、低感度セル10bの感度は、低感度状態にある撮像セル10aよりもさらに低くされているので、低感度セル10bにおけるkTCノイズの影響は、撮像セル10aにおけるkTCノイズの影響よりも小さい。したがって、低感度セル10bでは、撮像セル10aよりも強力なノイズキャンセルを行う必要性は低い。ある態様では、フィードバック回路FCbは、省略され得る。
セル10aにおける電荷蓄積ノードFDの寄生容量のCfdに等しいとし、C3=C1=Csであるとする。この場合、低感度セル10bにおける電荷蓄積領域全体の容量値(Cfd+Cs)は、リセットトランジスタ24のオン時における撮像セル10aの電荷蓄積領域全体の容量値(Cfd+Cs)に等しい。ここで、低感度セル10bの光電変換部12bの画素電極12xの面積と、撮像セル10aの光電変換部11の画素電極11xの面積との間の比が1:10であったとすると、低感度セル10bと、リセットトランジスタ24のオン時の撮像セル10aとの間の感度比は、およそ1:10である。ここで、撮像セル10aにおいて、リセットトランジスタ24のオン時における電荷蓄積領域全体の容量値(Cfd+Cs)と、オフ時における電荷蓄積領域全体の容量値(Cfd+C2)との比が10:1であったとすれば、リセットトランジスタ24のオン時の撮像セル10aと、オフ時の撮像セル10aとの間の感度比は、およそ1:10である。結果として、このとき、低感度セル10b、リセットトランジスタ24のオン時の撮像セル10aおよびリセットトランジスタ24のオフ時の撮像セル10aの間で1:10:100の感度比が得られる。したがって、低感度セル10bを用いない場合よりもさらに広いダイナミックレンジを実現できる。なお、撮像装置100Bの動作時に、低感度セル10bにおける対向電極12zと撮像セル10aにおける対向電極11zとの間で互いに異なる電圧を供給することにより、低感度セル10bと撮像セル10aとの間に感度差を与えてもよい。
図5は、本開示の第2の実施形態による撮像装置の例示的な構成を示す。図5に示す撮像装置100Cと、図1に示す撮像装置100Aとの主な相異点は、撮像装置100Cにおける画素アレイPAが、感度切り替えレジスタ90に接続された複数の撮像セル10cを含む点である。この例では、感度切り替えレジスタ90が、列回路82B内に配置されている。
列に属する、1以上の撮像セル10cは、さらに、画素アレイPAの各列に対応して設けられた感度切り替え線Bjにも接続されている。図示するように、感度切り替え線Bjは、列回路82Bに接続されている。
変更することにより、対応する撮像セル10cから、高感度信号および低感度信号のいずれを読み出すかを切り替える。感度切り替え線Bjの電圧レベルは、出力信号線Sjを介して読み出される電圧と参照電圧との比較によって決定される。換言すれば、各撮像セル10cからの画像信号の読み出し時における感度が、露光によって蓄積された信号電荷量に応じて動的に変更される。1フレーム期間において各撮像セル10cから読み出される画像信号は、高感度信号および低感度信号のいずれか一方であり、したがって、同一の行に属する撮像セル10cにおいて、高感度信号と低感度信号との間で露光期間の長さを揃えることができる。また、1フレーム期間において、各撮像セル10cからは高感度信号および低感度信号のいずれか一方が選択的に読み出されるので、1フレーム分の高感度の画
像データおよび1フレーム分の低感度の画像データの間の合成処理が基本的に不要である。
0列に属する撮像セル10cの感度切り替えトランジスタ36であれば、そのゲートに感度切り替え線B0が接続される。
とにより、高感度信号および低感度信号のいずれか一方を選択し、その画像信号を1フレーム期間において読み出す。
図7においては、m個のセットのうち、第0列、第1列、第2列および第(m-1)列に対応する4つのセットを代表として示している。説明の便宜のために、図7においては、画素アレイPAに含まれる複数の撮像セル10cのうち、ある行に属する撮像セル10cも示されている。
に接続されている。参照電圧線50は、不図示の電圧源との接続を有し、撮像装置100C動作時に、所定の参照電圧REFが印加される。参照電圧REFとしては、例えば、電荷蓄積ノードFDにおいて電荷のオーバーフローが生じるかどうかの判断の基準となる動作限界電圧を用いることができる。
は、出力信号線Sjの電圧と参照電圧REFとを比較し、対応するレジスタRgjにその結果を返す。比較器Cmpjは、例えば、出力信号線Sjの電圧が参照電圧REFを上回っている場合にハイレベルの信号を出力する。
ットされ、出力信号線Sjの電圧が参照電圧REFを上回っていない場合に「0」がセッ
トされる。なお、図7に例示する構成では、各レジスタRgjは、レジスタリセット信号
線52にも接続されている。レジスタリセット信号線52に所定の信号を供給することにより、各レジスタRgjを初期状態にリセットすることができる。例えば、レジスタリセ
ット信号線52に印加される電圧RGrstをローレベルとすることにより、各レジスタ
Rgjに保持された比較結果を「0」にリセットする。
スタRg0には「0」が保持されているので、リセット信号線54の電圧レベルがローレ
ベル時、対応する感度切り替え線B0の電圧レベルがローレベルとなる。感度切り替え線
B0の電圧レベルがローレベルであるので、第0列に属する1以上の撮像セル10cにお
ける、感度切り替えトランジスタ36がオフとなる。このとき、光電変換部11および第1容量素子21が第2容量素子22を介して接続され(図6参照)、撮像セル10cが高感度の状態となる。つまり、感度切り替え線Bjの電圧レベルがローレベルのとき、対応
する撮像セル10cから高感度信号が読み出される。
のとき、対応する撮像セル10cから低感度信号が読み出される。
圧Vfdに応じた画像信号がそのまま出力信号線S0に出力される。換言すれば、撮像セ
ル10cからは、高感度信号が読み出される。他方、第1列の撮像セル10cでは、図9に示すように、露光期間中のある時点以降、電荷蓄積ノードFDの電圧Vfdが動作限界電圧Vthを上回っている。そのため、対応する感度切り替え線B1の電圧レベルがハイ
レベルとなり、感度切り替えトランジスタ36がオンとなる。
オンとなることにより、下向きの矢印によって模式的に示すように、電圧Vfdが(1/10)程度に低下する。すなわち、撮像セル10cからは、低感度信号が読み出される。
スタ36のゲートに感度切り替え線Bjを介して印加される電圧の変化を示す。ADi、RSTiおよびFBiは、図3と同様に、それぞれ、第i行のアドレス制御線Ai、リセット
制御線Riおよびフィードバック制御線Fiに印加される電圧の変化を示す。図10中、網掛けの矩形RRは、図3と同様に、リセット信号の読み出しの期間を示し、両矢印NRCは、信号の取得後のリセットおよびノイズキャンセルのための期間を示す。
「0」がセットされているとする。
る。すなわち、第0行に属する撮像セル10aのアドレストランジスタ28、リセットトランジスタ24およびフィードバックトランジスタ34は、いずれもオフの状態である。また、各列のレジスタRgjに「0」がセットされているので、各列の感度切り替え線Bjの電圧レベルは、ローレベルであり、感度切り替えトランジスタ36もオフの状態である。
に読み出される。感度切り替えレジスタ90中の比較器Cmpjは、対応する列の出力信
号線Sjの電圧と参照電圧REFとを比較し、対応するレジスタRgjにその結果を返す(図7参照)。この比較により、例えば、第0列のレジスタRg0に「0」がセットされ、
第1列のレジスタRg1に「1」がセットされる。図10中、矢印CPで示す、右下がり
の斜線が付された期間は、各出力信号線Sjの電圧と参照電圧REFとの比較のための期
間を表している。
して設けられた感度切り替え線Bjに印加される電圧が、対応するレジスタRgjに保持された値に応じて変化する。この例では、第0列のレジスタRg0には「0」がセットされ
ている。そのため、第0行第0列における感度切り替え線B0に印加される電圧は、ロー
レベルのままである(図10の電圧BS0のグラフにおける下側の破線)。他方、第1列
のレジスタRg1に「1」がセットされているので、第0行第1列における感度切り替え
線B1に印加される電圧は、ハイレベルに切り替わる(図10の電圧BS0のグラフにおける上側の破線)。
読み出しを実行する。図10中、網掛けの矩形SRは、撮像セル10cからの画像信号の読み出し期間を示している。画像信号の読み出しは、RST0がハイレベルに変更された
状態、すなわち、リセットトランジスタ24がオンとされた状態で実行される。
、電圧BS00および電圧BS01のグラフは、それぞれ、第0行の選択時における、第0列の感度切り替え線B0に印加される電圧の変化および第1列の感度切り替え線B1に印加される電圧の変化の典型例を示している。
、ローレベルである。したがって、第0行第0列の撮像セル10cについては、感度切り替えトランジスタ36がオフの状態、すなわち、高感度の状態での信号の読み出しが実行される。つまり、第0行第0列の撮像セル10cからは、高感度信号が読み出される。他方、ここでは、画像信号の読み出し時、感度切り替え線B01にはハイレベルの電圧が印加されている。したがって、第0行第1列の撮像セル10cについては、感度切り替えトランジスタ36がオンの低感度の状態での信号の読み出しが実行される。つまり、低感度信号が読み出される。換言すれば、第0行第0列の撮像セル10cからの高感度信号の読み出し時に、第0行第1列の撮像セル10cは、低感度信号を出力する。このように、第2の実施形態では、同一の行に属する撮像セル10cの間であっても、高感度信号および低感度信号のいずれが読み出されるかが列によって異なり得る。
ット信号線54を一方の入力としている。したがって、電圧パルスRSTpsがハイレベルとなることにより、レジスタRgjに保持された比較結果によらずに、各列の撮像セル
10cにおける感度切り替えトランジスタ36をオンとできる。すなわち、リセットの開始時に感度切り替えトランジスタ36をオンとして、リセットトランジスタ24および感度切り替えトランジスタ36を介して、フィードバックトランジスタ34の出力を電荷蓄積ノードFDに供給することができる。ノイズキャンセル後、リセット信号を取得する(図10に示す期間RR)。
る。すなわち、ある行に属する、ある列の撮像セル10cの画像信号の読み出し時における感度と、ある行の次の行に属する、その列の撮像セル10cの画像信号の読み出し時における感度とは、互いに異なり得る。例えば、第0行第0列の撮像セル10cから高感度信号が読み出され、第1行第0列の撮像セル10cから低感度信号が読み出されることもあり得る。
位での輝度の補正も比較的容易である。
、1フレーム期間において、撮像セル10cの各々から、高感度信号および低感度信号のいずれかが照度に応じて選択的に読み出される。第2の実施形態では、出力信号線Sjの
電圧と参照電圧REFとの比較が必要ではあるが、各撮像セル10cからの、AD変換を伴う画像信号の読み出しが、1フレーム期間あたり1回であるので、1フレーム期間に画像信号を2回読み出す場合と比較してより高速な動作が可能である。さらに、図8~図11を参照して説明した動作例から明らかなように、第2の実施形態によれば、画素アレイPAの同一の行において、高感度信号を取得するための露光期間と、低感度信号を取得するための露光期間との間でその長さを一致させることができる。
図12は、第2の実施形態による撮像装置の変形例を示す。図12に示す撮像装置100Dは、図4を参照して説明した撮像装置100Bと同様に、撮像セル10cよりも感度の低い第2の撮像セル10b(低感度セル10b)を有する。図12に例示する構成では、行方向に沿って隣接する撮像セル10cおよび低感度セル10bが、セル対10Pcを構成している。複数のセル対10Pcが例えば半導体基板にマトリクス状に配列されることにより、撮像装置100Dにおける撮像領域が形成される。
図13および図14は、撮像セルの変形例を示す。図13に示す撮像セル10dは、感度切り替えトランジスタ37を介して電荷蓄積ノードFDに接続された容量素子39を含む信号検出回路SCdを有する。図示するように、容量素子39は、感度切り替えトランジスタ37のソースおよびドレインの一方と基準電位VRとの間に接続されている。感度切り替えトランジスタ37のゲート電圧GCiを制御することにより、画像信号読み出し
時における撮像セル10dからの感度を行単位または列単位で切り替えることができる。例えば、感度切り替えトランジスタ37をオンとすることにより、撮像セル10dから低感度信号を読み出すことができる。
量素子39との間にさらに第2の感度切り替えトランジスタ38を配置してもよい。例えば、感度切り替えトランジスタ38のゲート電圧GLiおよび感度切り替えトランジスタ
37のゲート電圧GCiをそれぞれ行単位および列単位で制御することにより、画像信号
読み出し時における撮像セル10dからの感度の切り替えをより柔軟に行い得る。なお、画素の微細化の観点からは、第1容量素子21および第2容量素子22に加えて容量素子39を別途に設けずに、ノイズキャンセルのための容量素子と感度変調のための容量素子とを兼用する方が有利である。
撮像セル 10a~10e
光電変換部 11、12b
21 第1容量素子
22 第2容量素子
23b 第3容量素子
24 リセットトランジスタ
26、26b 信号検出トランジスタ
28、28b アドレストランジスタ
32j、32bj 反転増幅器
34、34b フィードバックトランジスタ
36~38 感度切り替えトランジスタ
80 行走査回路
82、82B 列回路
84 信号処理回路
90 感度切り替えレジスタ
100、100A~100D 撮像装置
200 カメラシステム
Ai、Abi 第i行のアドレス制御線
Bj 第j列の感度切り替え線
Cmpj 第j列の比較器
FC、FCb フィードバック回路
FD、FDb 電荷蓄積ノード
Fi、Fbi 第i行のフィードバック制御線
Rgj 第j列のレジスタ
Ri 第i行のリセット制御線
SC、SCb~SCe 信号検出回路
Sj、Sbj 出力信号線
Claims (24)
- それぞれが、第1光電変換部、および、前記第1光電変換部で発生した電気信号を検出する第1信号検出回路を含む複数の第1撮像セルを備え、
前記第1信号検出回路は、
ソースおよびドレインの一方が前記第1光電変換部に電気的に接続される第1トランジスタと、
一端が前記第1トランジスタの前記ソースおよび前記ドレインの他方と電気的に接続され、他端に基準電位が印加される第1容量素子と、
ゲートが前記第1光電変換部に電気的に接続される第2トランジスタと
を含み、
第1のフレーム期間内において、前記複数の第1撮像セルのうちの第1グループの第1撮像セルは、前記第1トランジスタがオフの状態における信号である第1画像信号を出力し、前記第1グループに属さない1以上の第1撮像セルは、前記第1グループの第1撮像セルからの前記第1画像信号の出力時に、前記第1トランジスタがオンの状態における信号である第2画像信号を出力し、
前記第1のフレーム期間と異なる第2のフレーム期間内において、前記第1のフレーム期間に前記第1グループに属していなかった第1撮像セルの少なくとも1つを含む第2グループの第1撮像セルは、前記第1画像信号を出力し、前記第2グループに属さない1以上の第1撮像セルは、前記第2グループの第1撮像セルからの前記第1画像信号の出力時に、前記第2画像信号を出力する、撮像装置。 - 前記第1信号検出回路は、前記第1トランジスタの前記ソースおよび前記ドレインの前記他方と前記第1容量素子の前記一端との間に接続される第3トランジスタをさらに含む、請求項1に記載の撮像装置。
- 前記複数の第1撮像セルのうち、前記第1のフレーム期間において前記第1グループに属する第1撮像セルの数および配置、ならびに、前記第2のフレーム期間において前記第2グループに属する第1撮像セルの数および配置は、被写体に応じて決定される、請求項1または2に記載の撮像装置。
- 第1光電変換部、および、前記第1光電変換部で発生した電気信号を検出する第1信号検出回路を含む第1撮像セルと、
第2光電変換部、および、前記第2光電変換部で発生した電気信号を検出する第2信号検出回路を含む第2撮像セルと
を備え、
前記第1信号検出回路は、
ソースおよびドレインの一方が前記第1光電変換部に電気的に接続される第1トランジスタと、
ゲートが前記第1光電変換部に電気的に接続される第2トランジスタと、
一端が前記第1トランジスタの前記ソースおよび前記ドレインの他方と電気的に接続され、他端に基準電位が印加される第1容量素子と
を含み、
前記第2信号検出回路は、
一端が前記第2光電変換部に電気的に接続され、他端に前記基準電位が印加される第3容量素子と、
ゲートが前記第2光電変換部に電気的に接続される第3トランジスタと
を含み、
前記第1撮像セルは、前記第1トランジスタがオフの状態における信号である第1画像信号と、前記第1トランジスタがオンの状態における信号である第2画像信号とを、1フレーム期間内において順次に出力し、
前記第1光電変換部の面積は、前記第2光電変換部の面積と異なる、 撮像装置。 - 前記第1信号検出回路は、一端が前記第1光電変換部に電気的に接続され、他端が前記第1トランジスタの前記ソースおよび前記ドレインの前記他方に電気的に接続される第2容量素子を含み、
前記第2容量素子の容量値は、前記第1容量素子の容量値よりも小さい、請求項1から4のいずれか1項に記載の撮像装置。 - 第1光電変換部、および、前記第1光電変換部で発生した電気信号を検出する第1信号検出回路を含む第1撮像セルを備え、
前記第1信号検出回路は、
ソースおよびドレインの一方が前記第1光電変換部に電気的に接続される第1トランジスタと、
ゲートが前記第1光電変換部に電気的に接続される第2トランジスタと、
一端が前記第1トランジスタの前記ソースおよび前記ドレインの他方と電気的に接続され、他端に基準電位が印加される第1容量素子と、
一端が前記第1光電変換部に電気的に接続され、他端が前記第1トランジスタの前記ソースおよび前記ドレインの前記他方に電気的に接続される第2容量素子と
を含み、
前記第2容量素子の容量値は、前記第1容量素子の容量値よりも小さく、
前記第1撮像セルは、前記第1トランジスタがオフの状態における信号である第1画像信号と、前記第1トランジスタがオンの状態における信号である第2画像信号とを、1フレーム期間内において順次に出力する、撮像装置。 - それぞれが、第1光電変換部、および、前記第1光電変換部で発生した電気信号を検出する第1信号検出回路を含む複数の第1撮像セルを備え、
前記第1信号検出回路は、
ソースおよびドレインの一方が前記第1光電変換部に電気的に接続される第1トランジスタと、
ゲートが前記第1光電変換部に電気的に接続される第2トランジスタと、
一端が前記第1トランジスタの前記ソースおよび前記ドレインの他方と電気的に接続され、他端に基準電位が印加される第1容量素子と、
一端が前記第1光電変換部に電気的に接続され、他端が前記第1トランジスタの前記ソースおよび前記ドレインの前記他方に電気的に接続される第2容量素子と
を含み、
前記第2容量素子の容量値は、前記第1容量素子の容量値よりも小さく、
1フレーム期間内において、前記複数の第1撮像セルのうちの一部は、前記第1トランジスタがオフの状態における信号である第1画像信号を出力し、前記一部以外の1以上の第1撮像セルは、前記一部からの前記第1画像信号の出力時に、前記第1トランジスタがオンの状態における信号である第2画像信号を出力する、撮像装置。 - 前記第1光電変換部で発生した電気信号を負帰還させる帰還経路を形成する第1フィードバック回路をさらに備える、請求項1から7のいずれか1項に記載の撮像装置。
- 前記第1フィードバック回路は、前記第1光電変換部で発生した電気信号を前記第1トランジスタの前記ソースおよび前記ドレインの他方に負帰還させる、請求項8に記載の撮像装置。
- 第1光電変換部、および、前記第1光電変換部で発生した電気信号を検出する第1信号検出回路を含む第1撮像セルと、
前記第1光電変換部で発生した電気信号を負帰還させる帰還経路を形成する第1フィードバック回路と
を備え、
前記第1信号検出回路は、
ソースおよびドレインの一方が前記第1光電変換部に電気的に接続される第1トランジスタと、
ゲートが前記第1光電変換部に電気的に接続される第2トランジスタと、
一端が前記第1トランジスタの前記ソースおよび前記ドレインの他方と電気的に接続され、他端に基準電位が印加される第1容量素子と
を含み、
前記第1フィードバック回路は、前記第1光電変換部で発生した電気信号を前記第1トランジスタの前記ソースおよび前記ドレインの他方に負帰還させ、
前記第1撮像セルは、前記第1トランジスタがオフの状態における信号である第1画像信号と、前記第1トランジスタがオンの状態における信号である第2画像信号とを、1フレーム期間内において順次に出力する、撮像装置。 - それぞれが、第1光電変換部、および、前記第1光電変換部で発生した電気信号を検出する第1信号検出回路を含む複数の第1撮像セルと、
前記第1光電変換部で発生した電気信号を負帰還させる帰還経路を形成する第1フィードバック回路と
を備え、
前記第1信号検出回路は、
ソースおよびドレインの一方が前記第1光電変換部に電気的に接続される第1トランジスタと、
ゲートが前記第1光電変換部に電気的に接続される第2トランジスタと、
一端が前記第1トランジスタの前記ソースおよび前記ドレインの他方と電気的に接続され、他端に基準電位が印加される第1容量素子と
を含み、
前記第1フィードバック回路は、前記第1光電変換部で発生した電気信号を前記第1トランジスタの前記ソースおよび前記ドレインの他方に負帰還させ、
1フレーム期間内において、前記複数の第1撮像セルのうちの一部は、前記第1トランジスタがオフの状態における信号である第1画像信号を出力し、前記一部以外の1以上の第1撮像セルは、前記一部からの前記第1画像信号の出力時に、前記第1トランジスタがオンの状態における信号である第2画像信号を出力する、撮像装置。 - 第2光電変換部と、前記第2光電変換部で発生した電気信号を検出する第2信号検出回路と、を含む第2撮像セルと、
前記第2光電変換部で発生した電気信号を負帰還させる帰還経路を形成する第2フィードバック回路と、
をさらに備え、
前記第2信号検出回路は、
一端が前記第2光電変換部に電気的に接続され、他端に基準電位が印加される第3容量素子と、
ゲートが前記第2光電変換部に電気的に接続される第3トランジスタと、
を含む、請求項10または11に記載の撮像装置。 - 前記第2信号検出回路は、前記第2光電変換部と、前記第3容量素子の前記一端との間にトランジスタを含まない、請求項12に記載の撮像装置。
- 第1光電変換部と、前記第1光電変換部で発生した電気信号を検出する第1信号検出回路と、を含む第1撮像セルと、
前記第1信号検出回路に電気的に接続される感度切り替え回路と、
を備え、
前記第1信号検出回路は、
ソースおよびドレインの一方が前記第1光電変換部に電気的に接続される第1トランジスタと、
一端が前記第1トランジスタの前記ソースおよび前記ドレインの他方と電気的に接続され、他端に基準電位が印加させる第1容量素子と、
ゲートが前記第1光電変換部に電気的に接続される第2トランジスタと、
ゲートが前記感度切り替え回路に電気的に接続され、前記第1トランジスタに対し直列に接続される第3トランジスタと、
を含み、
前記感度切り替え回路は、前記第1トランジスタがオフの状態において検出された信号の大きさに基づいて前記第3トランジスタをオンまたはオフする、 撮像装置。 - 前記感度切り替え回路は、前記第1トランジスタがオフの状態において検出された信号の大きさと、基準信号の大きさとを比較する比較器を含む、請求項14に記載の撮像装置。
- それぞれが、第1光電変換部、および、前記第1光電変換部で発生した電気信号を検出する第1信号検出回路を含む複数の第1撮像セルと、
第2光電変換部、および、前記第2光電変換部で発生した電気信号を検出する第2信号検出回路を含む第2撮像セルと
を備え、
前記第1信号検出回路は、
ソースおよびドレインの一方が前記第1光電変換部に電気的に接続される第1トランジスタと、
ゲートが前記第1光電変換部に電気的に接続される第2トランジスタと、
一端が前記第1トランジスタの前記ソースおよび前記ドレインの他方と電気的に接続され、他端に基準電位が印加される第1容量素子と
を含み、
前記第2信号検出回路は、
一端が前記第2光電変換部に電気的に接続され、他端に前記基準電位が印加される第3容量素子と、
ゲートが前記第2光電変換部に電気的に接続される第3トランジスタと
を含み、
1フレーム期間内において、前記複数の第1撮像セルのうちの一部は、前記第1トランジスタがオフの状態における信号である第1画像信号を出力し、前記一部以外の1以上の第1撮像セルは、前記一部からの前記第1画像信号の出力時に、前記第1トランジスタがオンの状態における信号である第2画像信号を出力する、撮像装置。 - 前記第1信号検出回路は、転送トランジスタをさらに備え、
前記第1トランジスタの前記ソースおよびドレインの前記一方および前記第2トランジスタの前記ゲートは、前記転送トランジスタを介して、前記光電変換部に電気的に接続される、請求項1から16のいずれか1項に記載の撮像装置。 - 前記光電変換部は、フォトダイオードを含む、請求項1から17のいずれか1項に記載の撮像装置。
- 前記第1光電変換部および前記第2光電変換部はそれぞれ、画素電極、対向電極、および前記画素電極と前記対向電極との間の光電変換層を含み、
前記第1光電変換部の前記画素電極の面積は、前記第2光電変換部の前記画素電極の面積と異なる、請求項4に記載の撮像装置。 - 前記第1光電変換部の面積は、前記第2光電変換部の面積よりも大きい、請求項4に記載の撮像装置。
- 前記第2撮像セルは、第3画像信号を前記1フレーム期間内に出力し、
前記第1画像信号、前記第2画像信号、および前記第3画像信号は、互いに感度が異なる、請求項4、19、20のいずれか1項に記載の撮像装置。 - 第1光電変換部、および、前記第1光電変換部で発生した電気信号を検出する第1信号検出回路を含む第1撮像セルを備え、
前記第1信号検出回路は、
ソースおよびドレインの一方が前記第1光電変換部に電気的に接続される第1トランジスタと、
ゲートが前記第1光電変換部に電気的に接続される第2トランジスタと、
一端が前記第1トランジスタの前記ソースおよび前記ドレインの他方と電気的に接続され、他端に基準電位が印加される第1容量素子と、
一端が前記第1光電変換部に電気的に接続され、他端が前記第1トランジスタの前記ソースおよび前記ドレインの前記他方に電気的に接続される第2容量素子と、
を含み、
前記第2容量素子の容量値は、前記第1容量素子の容量値よりも小さく、
前記第1撮像セルは、前記第1トランジスタがオフの状態における信号である第1画像信号と、前記第1トランジスタがオンの状態における信号である第2画像信号とを、1フレーム期間内において順次に出力する、撮像装置。 - 第1電荷を生成する第1光電変換部と、第2電荷を生成する第2光電変換部であって前記第1光電変換部よりも面積が小さい第2光電変換部とを含む撮像装置の撮像方法であって、
前記第1電荷を、第1容量値を有する第1電荷蓄積領域に蓄積し、前記第1電荷蓄積領域の電位に対応する第1信号を出力し、
前記第1電荷を、前記第1容量値よりも大きい第2容量値を有する第2電荷蓄積領域に蓄積し、前記第2電荷蓄積領域の電位に対応する第2信号を出力し、
前記第2電荷を、第3容量値を有する第3電荷蓄積領域に蓄積し、前記第3電荷蓄積領域の電位に対応する第3信号を出力し、
前記第1信号、前記第2信号、および前記第3信号を、同じ1フレーム期間内に出力する、撮像方法。 - 前記第1信号、前記第2信号、および前記第3信号は、互いに感度が異なる、請求項23に記載の撮像方法。
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