[第1実施形態]
本発明の第1実施形態による光電変換装置及びその駆動方法について、図1乃至図8を用いて説明する。
はじめに、本実施形態による光電変換装置の概略構成について、図1乃至図4を用いて説明する。図1は、本実施形態による光電変換装置の構成例を示すブロック図である。図2は、本実施形態による光電変換装置における画素部の構成例を示す概略図である。図3は、本実施形態による光電変換装置における画素の構成例を示す回路図である。図4は、本実施形態による光電変換装置における画素制御部の構成例を示すブロック図である。
本実施形態による光電変換装置100は、図1に示すように、画素部101と、画素制御部102と、信号出力部105と、を有する。画素制御部102は、複数の画素制御線を含む画素制御線群103を介して、画素部101に接続されている。画素部101は、複数の画素出力線を含む画素出力線群104を介して、信号出力部105に接続されている。
画素部101には、複数の行及び複数の列に渡ってマトリクス状に配された複数の画素が設けられている。図1において、画素部101に描かれた矩形のブロックの各々が1つの画素に相当する。なお、図1には15行×20列に配された300個の画素を示しているが、画素部101に配される画素の数は、特に限定されるものではない。
画素制御部102は、画素制御線群103を介して画素部101に供給する制御信号により、画素部101に配された画素の動作を制御する制御回路部である。画素制御線群103は、画素部101を構成する画素アレイの複数の行に対応する複数の画素制御線を含む。画素制御線の各々は、典型的には複数の制御線を含む。複数の画素制御線の各々は、対応する行に配された画素の各々に接続されている。これにより、画素制御部102は、画素部101に配された画素の動作を行単位で制御することができる。
画素出力線群104は、画素部101を構成する画素アレイの複数の列に対応する複数の画素出力線を含む。複数の画素出力線の各々は、対応する列に配された画素の各々に接続されている。これにより、画素制御部102により選択された行に配された各列の画素から読み出された信号を、画素出力線群104を介して信号出力部105に入力することができる。
信号出力部105は、画素部101から出力される信号に対して所定の信号処理を行った後、処理後の信号を外部へと出力する機能を備える。信号出力部105が行う信号処理は、特に限定されるものではないが、例えば、増幅処理やAD変換処理を含むことができる。
画素制御部102及び信号出力部105は、光電変換装置100が備える図示しない制御部或いは光電変換装置100の外部から供給される制御信号によって制御されうる。
画素部101は、図2に示すように、各々が一又は複数の画素Pを含む複数の画素ブロック201から構成されうる。図2には一例として、画素Pが3行×4列の行列状に配されてなる画素ブロック201が、3行×3列の行列状に配されてなる画素部101を示している。なお、図2に示す構成例は説明のための便宜的なものであり、画素部101及び画素ブロック201は図2に示す構成に限定されるものではない。
以後の説明において、画素Pを単位とする行を画素行と、画素Pを単位とする列を画素列と、画素ブロック201を単位とする行を画素ブロック行と、画素ブロック201を単位とする列を画素ブロック列と、それぞれ呼ぶことがある。図2の例において、画素部101は、9画素行×12画素列の行列状に配された画素Pにより構成されているとともに、3画素ブロック行×3画素ブロック列の行列状に配された画素ブロック201により構成されているといえる。
画素部101の特定の位置における画素Pを表すときは、画素の符号Pに、(列番号,行番号)で表される座標を付記するものとする。例えば、図2において、左上隅の画素はP(1,1)の符号で表し、左下隅の画素はP(1,9)の符号で表し、右上隅の画素はP(12,1)の符号で表し、右下隅の画素はP(12,9)の符号で表すものとする。
また、画素部101の特定の位置における画素ブロック201を表すときは、画素ブロックの符号201に、(列番号,行番号)で表される座標を付記するものとする。なお、画素ブロック201の列番号には、画素Pの列番号と区別するために、Hを付記するものとする。また、画素ブロック201の行番号には、画素Pの行番号と区別するために、Vを付記するものとする。例えば、図2において、下段中央の画素ブロックは201(H2,V3)の符号で表すものとする。
各々の画素Pは、図3に示すように、光電変換部PDと、リセットトランジスタM1と、転送トランジスタM2と、増幅トランジスタM3と、選択トランジスタM4と、を有する。光電変換部PDは、例えばフォトダイオードである。光電変換部PDを構成するフォトダイオードは、アノードが基準電圧ノードに接続され、カソードが転送トランジスタM2のソースに接続されている。転送トランジスタM2のドレインは、リセットトランジスタM1のソース及び増幅トランジスタM3のゲートに接続されている。転送トランジスタM2のドレイン、リセットトランジスタM1のソース及び増幅トランジスタM3のゲートの接続ノードは、いわゆるフローティングディフュージョンFDである。フローティングディフュージョンFDは、容量成分を含み、電荷保持部として機能するとともに、この容量成分からなる電荷電圧変換部を構成する。リセットトランジスタM1のドレイン及び増幅トランジスタM3のドレインは、電源電圧ノード(電圧VDD)に接続されている。増幅トランジスタM3のソースは、選択トランジスタM4のドレインに接続されている。画素Pの出力ノードでもある選択トランジスタM4のソースは、画素出力線106に接続されている。
図3に示す画素Pの場合、画素制御線群103を構成する各行の画素制御線は、転送トランジスタM2のゲートに接続された信号線と、リセットトランジスタM1のゲートに接続された信号線と、選択トランジスタM4のゲートに接続された信号線と、を含む。転送トランジスタM2には、画素制御部102から対応する行の画素制御線を介して、制御信号PTXが供給される。リセットトランジスタM1には、画素制御部102から対応する行の画素制御線を介して、制御信号PRESが供給される。選択トランジスタM4には、画素制御部102から対応する行の画素制御線を介して、制御信号PSELが供給される。画素部101を構成する複数の画素Pは、画素制御部102から供給される制御信号PTX,PRES,PSELにより、行単位で制御される。画素Pの各トランジスタがN型トランジスタで構成される場合、これら制御信号がHighレベル(Hレベル)のときに対応するトランジスタはオン状態となり、これら制御信号がLowレベル(Lレベル)のときに対応するトランジスタはオフ状態となる。
被写体の光学像が画素部101に入射すると、各画素Pの光電変換部PDは、入射光をその光量に応じた量の電荷に変換(光電変換)するとともに、生成した電荷を蓄積する。転送トランジスタM2は、オンすることにより光電変換部PDが保持する電荷をフローティングディフュージョンFDに転送する。フローティングディフュージョンFDは、その容量成分による電荷電圧変換によって、光電変換部PDから転送された電荷の量に応じた電圧となる。増幅トランジスタM3は、ドレインに電圧VDDが供給され、ソースに選択トランジスタM4を介して図示しない電流源からバイアス電流が供給される構成となっており、ゲートを入力ノードとする増幅部(ソースフォロワ回路)を構成している。これにより増幅トランジスタM3は、フローティングディフュージョンFDの電圧に基づく信号を、選択トランジスタM4を介して画素出力線106に出力する。リセットトランジスタM1は、オンすることによりフローティングディフュージョンFDを電圧VDDに応じた電圧にリセットする。
画素制御部102は、図4に示すように、垂直走査部301と、画素ブロック列の各々に対応する複数の選択回路ブロック302と、を有する。例えば、図2に示す画素部101に対しては、画素制御部102は、画素ブロック列H1,H2,H3の各々に対応する3つの選択回路ブロック302_H1,302_H2,302_H3を含む。
垂直走査部301は、同じ行に属する総ての画素Pに共通の制御信号PRES,PSELを出力する。選択回路ブロック302は、対応する画素ブロック列の同じ行に属する画素Pに共通の制御信号PTXを出力する。すなわち、選択回路ブロック302_H1は、画素ブロック列H1の同じ行に属する画素Pに共通の制御信号PTXを出力する。選択回路ブロック302_H2は、画素ブロック列H2の同じ行に属する画素Pに共通の制御信号PTXを出力する。選択回路ブロック302_H3は、画素ブロック列H3の同じ行に属する画素Pに共通の制御信号PTXを出力する。
図4には一例として、図2に示す画素部101に対して出力される制御信号PTX,PRES,PSELを示している。例えば、1行目に属する総ての画素Pに対しては、垂直走査部301から制御信号PRES_1,PSEL_1が出力される。1行目に属する画素Pのうち、画素ブロック列H1に属する画素P、すなわち画素P(1,1)~画素P(4,1)に対しては、選択回路ブロック302_H1から共通の制御信号PTX_H1_V1_1が出力される。1行目に属する画素Pのうち、画素ブロック列H2に属する画素P、すなわち画素P(5,1)~画素P(8,1)に対しては、選択回路ブロック302_H2から共通の制御信号PTX_H2_V1_1が出力される。1行目に属する画素Pのうち、画素ブロック列H3に属する画素P、すなわち画素P(9,1)~画素P(12,1)に対しては、選択回路ブロック302_H3から共通の制御信号PTX_H3_V1_1が出力される。2行目~9行目についても同様である。
すなわち、M行目の画素ブロック行VMの中のN行目に属する総ての画素Pに対しては、垂直走査部301から制御信号PRES_K,PSEL_Kが出力される。ここで、Kは、Mを画素ブロック行の行番号を表す整数、Nを画素ブロック201内における画素行の行番号を表す整数として、K=M×Nのように表される。すなわち、Kは、画素部101内における画素行の行番号に対応する。
また、M行目の画素ブロック行VMの中のN行目に属する画素Pのうち、画素ブロック列H1に属する画素Pに対しては、選択回路ブロック302_H1から共通の制御信号PTX_H1_VM_Nが出力される。M行目の画素ブロック行VMの中のN行目に属する画素Pのうち、画素ブロック列H2に属する画素Pに対しては、選択回路ブロック302_H2から共通の制御信号PTX_H2_VM_Nが出力される。M行目の画素ブロック行VMの中のN行目に属する画素Pのうち、画素ブロック列H3に属する画素Pに対しては、選択回路ブロック302_H3から共通の制御信号PTX_H3_VM_Nが出力される。
画素制御部102から画素部101へと供給する制御信号PTX,PRES,PSELをこのように構成することで、画素Pの動作を画素ブロック201の単位で制御することが可能となる。
次に、本実施形態による光電変換装置の駆動方法について、図5乃至図8を用いて説明する。
図5は、画素ブロック201毎に画素Pの露光期間の長さを設定した場合の模式図である。図5の例では、画素ブロック201(H1,V1),201(H2,V2),201(H1,V3),201(H3,V3)に属する画素Pの露光期間の長さを露光時間T1に設定している。また、画素ブロック201(H2,V1),201(H3,V1),201(H1,V2),201(H3,V2),201(H2,V3)に属する画素Pの露光期間の長さを露光時間T2に設定している。ここで、露光時間T1は、露光時間T2に対して相対的に長い。或いは、露光時間T2は、露光時間T1に対して相対的に短い。
なお、図5の例では露光期間の長さを露光時間T1及び露光時間T2の2種類に設定しているが、露光期間の長さを3種類以上の露光時間に設定することも可能である。
図6は、図5に示す動作を実現するための駆動例を示す模式図である。図6(a)は画素ブロック列H1における駆動例を示し、図6(b)は画素ブロック列H2における駆動例を示している。図6(a)及び図6(b)において、横軸は時間を表し、縦軸は画素部101の画素ブロック行を表している。垂直同期信号VDは、撮像の際の1フレームの開始を示している。
図中、「READ」は、画素Pの光電変換部PDに蓄積された電荷に基づく信号を読み出す動作(リード動作)を示している。「SH1」,「SH2」は、画素Pの光電変換部PDに蓄積された電荷をリセットする動作(シャッタ動作)を示している。SH信号は、1フレームのうちに異なるタイミングで複数回入力され、画素ブロック201毎にSH信号の有効/無効を選択することで、画素ブロック201毎に異なる露光時間を選択できるようになっている。ここでは、「SH1」,「SH2」の2つのSH信号を想定している。なお、有効/無効の選択は、選択回路ブロック302が各画素Pに出力する制御信号PTXを制御することで行われる。
画素Pから出力される信号は、最後に入力された有効な「SH」から「READ」までの期間(露光期間)に光電変換部PDに蓄積された電荷に基づいたものとなる。図6(a)の例では、画素ブロック201(H1,V1),201(H1,V3)に対しては「SH1」が有効であり「SH2」が無効であるため、「SH1」から「READ」までの期間が露光期間(露光時間T1)となる。また、画素ブロック201(H1,V2)に対しては「SH2」が有効であり「SH1」が無効であるため、「SH2」から「READ」までの期間が露光期間(露光時間T2)となる。図6(b)の例では、画素ブロック201(H2,V1),201(H2,V3)に対しては「SH2」が有効であり「SH1」が無効であるため、「SH2」から「READ」までの期間が露光期間(露光時間T2)となる。また、画素ブロック201(H2,V2)に対しては「SH1」が有効であり「SH2」が無効であるため、「SH1」から「READ」までの期間が露光期間(露光時間T1)となる。
なお、図6の例ではシャッタ動作を「SH1」,「SH2」の2回としているが、3回以上にすることで、露光時間のバリエーションを3種類以上に増やすことも可能である。
「RST」は、「SH」と同様、画素Pの光電変換部PDに蓄積された電荷をリセットする動作を示している。「RST1」,「RST2」は、異なるタイミングで入力される「RST」である。「SH」と「RST」との違いはそれらの役割である。「SH」は光電変換部PDをリセットして光電変換部PDへの電荷の蓄積を開始する役割を有するのに対し、「RST」は露光期間以外の期間に画素Pの光電変換部PDに蓄積された電荷をリセットする役割を有する。露光期間の異なる画素Pが隣接している場合、「RST」を行わないと、露光期間外に蓄積された電荷が光電変換部PDから漏れ出し、露光期間中の隣接する画素Pへ漏れ込む虞がある。この現象はブルーミングと呼ばれ、画質の劣化を引き起こす原因となる。
例えば、図5及び図6の例では、画素ブロック201(H1,V2)の右端の画素Pと、画素ブロック201(H2,V2)の左端の画素Pとは、隣接する画素Pであって、露光期間が互いに異なっている。しかしながら、画素ブロック201(H1,V2)の画素Pでは、露光期間以外の期間に「RST」(「RST2」)を行い、光電変換部PDからの横方向への電荷の漏れ出しを防いでいるため、ブルーミングを抑制することができる。また、画素ブロック201(H1,V2)の画素Pから画素ブロック201(H1,V3)への縦方向の電荷の漏れ出しも防ぐことができる。
図7は、本実施形態による光電変換装置における制御信号PTXを供給する信号線のレイアウト例を示すブロック図である。制御信号PTXを供給する信号線の1画素行当たりの本数は、その画素行に存在する画素ブロック201の数と等しくなる。例えば、図2に示す画素部101の例では、各画素行には制御信号PTXを供給する3本の信号線が配される。例えば、1行目の画素行には、制御信号PTX_H1_V1_1を供給する信号線と、制御信号PTX_H2_V1_1を供給する信号線と、制御信号PTX_H3_V1_1を供給する信号線と、が配される。これら信号線は、寄生容量を揃えるために、長さを等しくすることが望ましい。このように構成することで、各画素Pに入力される制御信号PTXのタイミングのばらつきを小さくすることができる。
図8は、本実施形態による光電変換装置の別の駆動例を示すタイミング図である。図8には、1行目及び2行目の画素行について、光電変換部PDからの電荷の読み出しとリセットのタイミングを示している。この駆動例では、1行目と2行目とにおいて、画素ブロック列H1,H2,H3における露光期間を変えている。図8中の「READ」,「RST1」,「SH1」,「RST2」,「SH2」は、図6と同様である。
光電変換部PDに蓄積された電荷は、制御信号PTXがHレベルになることでフローティングディフュージョンFDへと転送されるため、制御信号PTXは、「READ」,「SH」,「RST」の各動作においてHレベルになっている。「READ」の際は、制御信号PRESをLレベル、制御信号PSELをHレベルに制御することで、露光期間の間に光電変換部PDに蓄積された電荷に基づく信号を読み出す。「SH」及び「RST」の際は、制御信号PRESをHレベル、制御信号PSELをLレベルに制御することで、光電変換部PDに蓄積された電荷をリセットする。
同じ画素行に着目すると、画素ブロック列H1,H2,H3における「READ」のタイミングは揃っている。同じ画素行における画素Pの露光期間の違いは、最後に「SH」が供給されるタイミング、つまり、最後に光電変換部PDがリセットされるタイミングの違いによって生じている。
すなわち、1行目においては、画素ブロック列H1,H3に対して「RST2」,「SH2」を無効にする。これにより、画素ブロック列H1,H3における露光期間は「SH1」から「READ」までの期間となり、画素ブロック列H2における露光期間は「SH2」から「READ」までの期間となる。
また、2行目においては、画素ブロック列H2に対して「RST2」,「SH2」を無効にする。これにより、画素ブロック列H2における露光期間は「SH1」から「READ」までの期間となり、画素ブロック列H1,H3における露光期間は「SH2」から「READ」までの期間となる。
2行目においては1水平期間分だけ各動作のタイミングがずれることになるが、同じ画素行で「READ」のタイミングが揃っていることは1行目と同様である。すなわち、図8の駆動例では、1行目の各画素Pにおける最初の「READ」のタイミングは時刻t1で揃っており、2行目の各画素Pにおける最初の「READ」のタイミングは時刻t2で揃っている。
このように、本実施形態によれば、画素ブロック毎に露光期間を変更することが可能となり、撮像画像のダイナミックレンジを拡大することができる。また、列方向及び行方向への隣接画素への電荷の漏れ出しを防ぐことでブルーミングを抑制し画質の劣化を防ぐことができる。また、制御信号PTXを供給する信号線の長さを等しくすることで、各画素Pに入力されるPTX信号のタイミングのばらつきが小さくなり、電荷の蓄積期間のばらつきが抑えられるため、画質の劣化を防ぐことができる。また、1画素行内での電荷読み出し(READ)タイミングを揃えることでローリング方式の行走査を適用できるため、制御が容易である。
[第2実施形態]
本発明の第2実施形態による光電変換装置について、図9及び図10を用いて説明する。第1実施形態による光電変換装置と同様の構成要素には同一の符号を付し、説明を省略し或いは簡潔にする。図9は、本実施形態による光電変換装置の構成例を示すブロック図である。図10は、本実施形態による光電変換装置における基板間の電気的な接続関係を示すブロック図である。
本実施形態による光電変換装置は、図9に示すように、第1基板801と、第2基板802と、を有する。第1基板801には、少なくとも画素部101が設けられている。第2基板802には、少なくとも選択回路ブロック302が設けられている。図9に示す構成例では、垂直走査部301と選択回路ブロック302とを第2基板802の側に配置している。第1基板801と第2基板802とは、積層されることにより、積層型の光電変換装置を構成している。その他の構成や動作については、第1実施形態による光電変換装置と同様である。
図10において、太い実線が第1基板801と第2基板802との境界である。この実線よりも上側が第1基板801を示し、実線よりも下側が第2基板802を示している。図10には、図面の簡略化のため、画素部101から、1行目の画素P(1,1)~画素P(8,1)と、2行目の画素P(1,2)~画素P(4,2)と、を抜き出して示している。
画素P(1,1)~画素P(8,1)には、制御信号PRES_1,PSEL_1が入力される。制御信号PRES_1,PSEL_1は、第2基板802に設けられた垂直走査部301で生成され、接続点901を通って第2基板802から第1基板801へと供給される。制御信号PRES_1,PSEL_1の画素P(1,1)~画素P(8,1)への分岐は、第1基板801において行われる。
同様に、画素P(1,2)~画素P(4,2)には、制御信号PRES_2,PSEL_2が入力される。制御信号PRES_2,PSEL_2は、第2基板802に設けられた垂直走査部301で生成され、接続点902を通って第2基板802から第1基板801へと供給される。制御信号PRES_2,PSEL_2の画素P(1,2)~画素P(4,2)への分岐は、第1基板801において行われる。
画素P(1,1)~画素P(4,1)には、制御信号PTX_H1_V1_1が入力される。制御信号PTX_H1_V1_1は、第2基板802に設けられた選択回路ブロック302で生成され、接続点903を通って第2基板802から第1基板801へと供給される。制御信号PTX_H1_V1_1の画素P(1,1)~画素P(4,1)への接続は、第1基板801に配された共通信号線から分岐する分岐信号線によって行われる。
同様に、画素P(5,1)~画素P(8,1)には、制御信号PTX_H2_V1_1が入力される。制御信号PTX_H2_V1_1は、第2基板802に設けられた選択回路ブロック302で生成され、接続点905を通って第2基板802から第1基板801へと供給される。制御信号PTX_H2_V1_1の画素P(5,1)~画素P(8,1)への接続は、第1基板801に配された共通信号線から分岐する分岐信号線によって行われる。
また、画素P(1,2)~画素P(4,2)には、制御信号PTX_H1_V1_2が入力される。制御信号PTX_H1_V1_2は、第2基板802に設けられた選択回路ブロック302で生成され、接続点904を通って第2基板802から第1基板801へと供給される。制御信号PTX_H1_V1_2の画素P(1,2)~画素P(4,2)への接続は、第1基板801に配された共通信号線から分岐する分岐信号線によって行われる。
このようにして、制御信号の分岐を第1基板801で行う構成にすることで、制御信号の分岐を第2基板802で行う場合と比較して、第1基板801と第2基板802との間の電気的な接続点の数を減らすことができる。これにより、製造上の欠陥による接続不良が起きる確率を低減することができ、また、製造上のばらつきを抑制することができる。したがって、各配線の持つ寄生容量や寄生抵抗の値がばらつく可能性が低くなり、画素Pごとの信号の変化のタイミングのばらつきを低減することができる。
第1基板801と第2基板802との間の接続点901,902,903,904,905をそれぞれ複数設け、各配線を並列化するようにしてもよい。このように構成することで、接続不良の発生確率を更に低減することが可能である。
このように、本実施形態によれば、画素部101を第1基板801に配置し、垂直走査部301及び選択回路ブロック302を第2基板802に配置するため、画素部101の領域を通る画素制御線の本数を減らすことができる。これにより、画素Pの領域として利用できる面積を拡大することができ、画素Pの光電変換効率を増大することができる。
また、画素部101を第1基板801側に設けることで、画素部101直下の第2基板802の領域810に余地が生まれるため、この領域810を利用して様々な機能ブロックを設けることが可能となる。図9に示す例では、画素部101が設けられた領域と選択回路ブロック302が設けられた領域とは、平面視において重なっていない。
また、第1基板801と第2基板802との間における接続不良を低減できるため、各画素Pに入力される制御信号のタイミングばらつきを低減し、画質の劣化を抑制することができる。
[第3実施形態]
本発明の第3実施形態による光電変換装置について、図11を用いて説明する。第1及び第2実施形態による光電変換装置と同様の構成要素には同一の符号を付し、説明を省略し或いは簡潔にする。図11は、本実施形態による光電変換装置の構成例を示すブロック図である。
本実施形態による光電変換装置は、少なくとも画素部101が第1基板801に設けられ、少なくとも選択回路ブロック302が第2基板802に設けられている点で、第2実施形態による光電変換装置と同様である。本実施形態による光電変換装置が第2実施形態と異なる点は、第2基板802に設けられた選択回路ブロック302が、画素部101の直下の第2基板802の領域810に設けられていることである。その他の構成や動作については、第1及び第2実施形態による光電変換装置と同様である。
すなわち、第2基板802に設けられた選択回路ブロック302_H1,302_H2,302_H3は、図11に示すように、第1基板801に設けられた画素部101の対応する画素ブロックの直下の領域810に配置されている。
選択回路ブロック302をこのように配置することで、第1基板801及び第2基板802の面積を第2実施形態の場合よりも小さくすることができる。これにより、画素Pにおける光電変換効率を維持しつつ、光電変換装置の小型化を図ることができる。
[第4実施形態]
本発明の第4実施形態による光電変換装置及びその駆動方法について、図12乃至図18を用いて説明する。第1乃至第3実施形態による光電変換装置と同様の構成要素には同一の符号を付し、説明を省略し或いは簡潔にする。
図12は、本実施形態による光電変換装置の駆動例を示す模式図である。図12には、図5に示す動作を実現するための駆動例を示している。図12(a)は画素ブロック列H1における駆動例を示し、図12(b)は画素ブロック列H2における駆動例を示している。図12(a)及び図12(b)において、横軸は時間を表し、縦軸は画素部101の画素ブロック行を表している。垂直同期信号VDは、撮像の際の1フレームの開始を示す信号である。
図中、「READ」,「SH1」,「SH2」は、第1実施形態において説明した図6と同様である。すなわち、「READ」は、画素Pの光電変換部PDに蓄積された電荷に基づく信号を読み出す動作(リード動作)を示している。「SH1」,「SH2」は、画素Pの光電変換部PDに蓄積された電荷をリセットする動作(シャッタ動作)を示している。SH信号は、1フレームのうちに異なるタイミングで複数回入力され、画素ブロック201毎にSH信号の有効/無効を選択することで、画素ブロック201毎に異なる露光時間を選択できるようになっている。ここでは、「SH1」,「SH2」の2つのSH信号を想定している。なお、有効/無効の選択は、選択回路ブロック302が各画素Pに出力する制御信号PTXを制御することで行われる。
本実施形態の駆動方法が第1乃至第3実施形態と異なる点は、「RST」動作がないことである。その代わりに、本実施形態では、「READ」から最後の有効な「SH」までの期間を、光電変換部PDをリセット状態のまま保持するリセット期間に設定している。その他の構成には、第1乃至第3実施形態のいずれかと同様の構成を適用可能である。
本駆動例では、画素ブロック201(H1,V1),201(H1,V3)に対しては、「SH1」が有効であり「SH2」が無効であるため、「SH1」から「READ」までの期間が露光期間となる。画素ブロック201(H1,V2)に対しては、「SH2」が有効であるため「SH2」から「READ」までの期間が露光期間となる。いずれの画素ブロック201でも露光期間以外の期間は光電変換部PDがリセット状態に保持されている。言い換えると、「READ」の役割は電荷の読み出し後に光電変換部PDのリセットを開始することであり、「SH」の役割は光電変換部PDのリセットを解除することである。
なお、本駆動例ではシャッタ動作は「SH1」と「SH2」の2回となっているが、回数を3回以上にすることで、露光期間のバリエーションを3種類以上に増やすことも可能である。
本駆動例において、露光期間以外の期間には光電変換部PDをリセット状態で保持するため、第1乃至第3実施形態の場合のように「RST」が断続的に入力される場合と比較して、電荷の漏れ出しに対する抑制効果が高い。すなわち、第1乃至第3実施形態では、「RST」から「SH」までの期間に強度の高い光が入射すると光電変換部PDから電荷が漏れ出す虞があるが、本駆動例ではその虞はない。また、「RST」を断続的に入力する動作では、特許文献1の場合のように、電荷の漏れ出し抑制に十分なRST回数を算出する必要があるが、本駆動例ではその必要がない。
図13は、本実施形態による光電変換装置の別の駆動例を示すタイミング図である。図13には、1行目及び2行目の画素行について、光電変換部PDからの電荷の読み出しとリセットのタイミングを示している。この駆動例では、1行目と2行目とにおいて、画素ブロック列H1,H2,H3における露光期間を変えている。図13中の「READ」「SH1」「SH2」は、図12と同様である。
光電変換部PDに電荷が蓄積される期間は、制御信号PTXがLレベルとなっている期間であり、光電変換部PDがリセットされる期間は、制御信号PTXと制御信号PRESとがHレベルになっている期間である。すなわち、「READ」の動作の際は、制御信号PTXがHレベル、制御信号PRESがLレベル、制御信号PSELがHレベルとなる。また、「SH」の動作の際は、制御信号PTXがLレベル、制御信号PRESがHレベル、制御信号PSELがLレベルとなる。
同じ画素行に着目すると、画素ブロック列H1,H2,H3における「READ」のタイミングは揃っている。同じ画素行における画素Pの露光期間の違いは、最後に「SH」が供給されるタイミング、つまり、最後に光電変換部PDがリセットされるタイミングの違いによって生じている。
すなわち、1行目においては、画素ブロック列H1,H3に対して「SH2」を無効にする。これにより、画素ブロック列H1,H3における露光期間は「SH1」から「READ」までの期間となり、画素ブロック列H2における露光期間は「SH2」から「READ」までの期間となる。
また、2行目においては、画素ブロック列H2に対して「SH2」を無効にする。これにより、画素ブロック列H2における露光期間は「SH1」から「READ」までの期間となり、画素ブロック列H1,H3における露光期間は「SH2」から「READ」までの期間となる。
2行目においては1水平期間分だけ各動作のタイミングがずれることとなるが、同じ画素行で「READ」のタイミングが揃っていることは1行目と同様である。すなわち、図13の駆動例では、1行目の各画素Pにおける最初の「READ」のタイミングは時刻t5で揃っており、2行目の各画素Pにおける最初の「READ」のタイミングは時刻t6で揃っている。
図14は、本実施形態による光電変換装置における画素制御部102の構成例を示すブロック図である。
画素制御部102は、前述のように、垂直走査部301と、選択回路ブロック302と、を含む。選択回路ブロック302は、画素部101の画素ブロック列に対応する複数の選択回路ブロック302_HLに分割されている。ここで、Lは画素ブロック201の列番号を表す整数である。これら複数の選択回路ブロック302_HLのうち、図14には、画素ブロック列H1に対応する選択回路ブロック302_H1と、画素ブロック列H2に対応する選択回路ブロック302_H2と、を示している。選択回路ブロック302_Hの各々は、対応する画素ブロック列の画素ブロック201に、制御信号PTXを出力する。
選択回路ブロック302_HLの各々は、画素行の数に対応する複数の選択回路1301と、選択制御回路1302と、を有している。同じ画素行に配された選択回路1301には、垂直走査部301から、シャッタ動作用の制御信号として共通の制御信号PTXが入力される。
例えば、1行目の画素行に配された選択回路1301(H1,V1,1),1301(H2,V1,1)には、垂直走査部301から、制御信号PTX_READ_V1_1,PTX_SH1_V1_1,PTX_SH2_V1_1が入力される。同様に、2行目の画素行に配された選択回路1301(H1,V1,2),1301(H2,V1,2)には、垂直走査部301から、制御信号PTX_READ_V1_2,PTX_SH1_V1_2,PTX_SH2_V1_2が入力される。また、9行目の画素行に配された選択回路1301(H1,V3,3),1301(H2,V3,3)には、垂直走査部301から、制御信号PTX_READ_V3_3,PTX_SH1_V3_3,PTX_SH2_V3_3が入力される。
同じ画素行に設けられた選択回路1301の動作を区別するのは、対応する画素ブロック列に設けられた選択制御回路1302から供給される制御信号である。例えば、選択回路1301(H1,V1,1),1301(H1,V1,2),1301(H1,V3,3)には、選択制御回路1302_H1から、制御信号PTHR_SH1_H1,PTHR_SH2_H1が入力される。また、選択回路1301(H2,V1,1),1301(H2,V1,2),1301(H2,V3,3)には、選択制御回路1302_H2から、制御信号PTHR_SH1_H2,PTHR_SH2_H2が入力される。
すなわち、選択回路1301(HL,VM,N)には、垂直走査部301から、制御信号PTX_READ_VM_N,PTX_SH1_VM_N,PTX_SH2_VM_Nが入力される。また、選択回路1301(HL,VM,N)には、選択制御回路1302_HLから、制御信号PTHR_SH1_HL,PTHR_SH2_HLが入力される。ここで、Lは画素ブロック201の列番号であり、Mは画素ブロック201の行番号であり、Nは画素ブロック201内における画素行の行番号である。
なお、本実施形態では、「SH1」,「SH2」に対応して、選択制御回路1302_HLから、2つの制御信号、制御信号PTHR_SH1_HL及び制御信号PTHR_SH2_HLを選択回路1301(HL,VM,N)に供給している。制御信号PTHRの数は、露光期間のバリエーションの数に応じて適宜変更されうる。
図15には、選択回路1301(HL,VM,N)の一例として、選択回路1301(H1,V1,1)の構成例を示している。
選択回路1301(H1,V1,1)は、例えば、SH1用ANDゲート1303と、SH2用ANDゲート1304と、SH用ORゲート1305と、SRラッチ回路1306と、を有する。SRラッチ回路1306は、SRフリップフロップにより構成されるラッチ回路である。
SH1用ANDゲート1303には、制御信号PTX_SH1_V1_1と、制御信号PTHR_SH1_H1と、が入力される。つまり、制御信号PTX_SH1_V1_1は、制御信号PTHR_SH1_H1がHレベルの場合のみ、後段のSH用ORゲート1305へと出力される。同様に、SH2用ANDゲート1304には、制御信号PTX_SH2_V1_1と、制御信号PTHR_SH2_H1と、が入力される。つまり、制御信号PTX_SH2_V1_1は、制御信号PTHR_SH2_H1がHレベルの場合のみ、後段のSH用ORゲート1305へと出力される。なお、制御信号PTX_SH1_V1_1,PTX_SH2_V1_1の通過/非通過の選択は、シャッタ動作の有効/無効の選択と対応している。
SH用ORゲート1305は、SH1用ANDゲート1303の出力信号及びSH2用ANDゲート1304の出力信号を受けて、制御信号PTX_SH_H1_V1_1を出力する。SRラッチ回路1306は、セット端子(S)への制御信号PTX_READ_V1_1の入力と、リセット端子(R)への制御信号PTX_SH_H1_V1_1の入力とを受け、出力端子(Q)から制御信号PTX_H1_V1_1を出力する。この制御信号PTX_H1_V1_1が、選択回路1301(H1,V1,1)の出力信号である。SRラッチ回路1306は、光電変換部PDのリセット状態及び露光状態を保持するために用いられる。
次に、本実施形態による光電変換装置の駆動方法について、図16乃至図18を用いて説明する。図16乃至図18は、本実施形態による光電変換装置の駆動例を示すタイミングチャートである。
図16及び図17は、選択回路ブロック302_H1の動作を示すタイミングチャートである。図16には、画素ブロック行V1の動作のみを記載している。図17には、画素ブロック行V2の動作のみを記載している。水平同期信号HDは、1行分の動作の開始タイミングを知らせる信号である。なお、図16及び図17において、時間軸は共通である。
はじめに、画素ブロック行V1の動作について、図16を用いて説明する。
まず、時刻t9において、1行目の画素行に対する制御信号PTX_READ_V1_1がHレベルに制御される。続く、時刻t10において、2行目の画素行に対する制御信号PTX_READ_V1_2がHレベルに制御される。続く時刻t11において、3行目の画素行に対する制御信号PTX_READ_V1_3がHレベルに制御される。これにより、画素ブロック行V1に配された選択回路1301において、SRラッチ回路1306がセットされ、制御信号PTX_H1_V1_1,PTX_H1_V1_2,PTX_H1_V1_3が、それぞれHレベルになる。すなわち、時刻t9、時刻t10、時刻t11は、それぞれ、1行目、2行目、3行目に属する画素Pの光電変換部PDのリセット期間の開始のタイミングとなる。
次いで、時刻t11において、1行目の画素行に対する制御信号PTX_SH1_V1_1がHレベルに制御される。続く時刻t12において、2行目の画素行に対する制御信号PTX_SH1_V1_2がHレベルに制御される。続く時刻t13において、3行目の画素行に対する制御信号PTX_SH1_V1_3がHレベルに制御される。制御信号PTX_SH1_V1_1,PTX_SH1_V1_2,PTX_SH1_V1_3は、1回目のシャッタ動作(SH1)に対応する。
制御信号PTX_SH1_V1_1,PTX_SH1_V1_2,PTX_SH1_V1_3がHレベルになるタイミングにおいて、制御信号PTHR_SH1_H1はHレベルになっている。これは、制御信号PTX_SH1_V1_1,PTX_SH1_V1_2,PTX_SH1_V1_3が総て有効になることを示している。これにより、時刻t11において制御信号PTX_SH_H1_V1_1がHレベルとなり、時刻t12において制御信号PTX_SH_H1_V1_2がHレベルとなり、時刻t13において制御信号PTX_SH_H1_V1_3がHレベルとなる。
選択回路1301ではSRラッチ回路1306がリセットされ、制御信号PTX_H1_V1_1,PTX_H1_V1_2,PTX_H1_V1_3は、総てLレベルとなる。すなわち、時刻t11、時刻t12、時刻t13は、それぞれ、1行目、2行目、3行目に属する画素Pの光電変換部PDにおいて、リセット期間の終了タイミングであるとともに、露光期間の開始のタイミングとなる。なお、「SH1」が有効となっているため、この露光期間は、露光時間が相対的に長い長秒露光の露光期間となる。
次いで、時刻t14において、1行目の画素行に対する制御信号PTX_SH2_V1_1がHレベルに制御される。続く時刻t15において、2行目の画素行に対する制御信号PTX_SH2_V1_2がHレベルに制御される。続く時刻t16において、3行目の画素行に対する制御信号PTX_SH2_V1_3がHレベルに制御される。制御信号PTX_SH2_V1_1,PTX_SH2_V1_2,PTX_SH2_V1_3は、2回目のシャッタ動作(SH2)に対応する。
制御信号PTX_SH2_V1_1,PTX_SH2_V1_2,PTX_SH2_V1_3がHレベルになるタイミングにおいて、制御信号PTHR_SH2_H1はLレベルになっている。これは、制御信号PTX_SH2_V1_1,PTX_SH2_V1_2,PTX_SH2_V1_3が総て無効になることを示している。これにより、時刻t14において制御信号PTX_SH_H1_V1_1はLレベルのままである。また、時刻t15において制御信号PTX_SH_H1_V1_2はLレベルのままである。また、時刻t16において制御信号PTX_SH_H1_V1_3はLレベルのままである。
次いで、時刻t20において、1行目の画素行に対する制御信号PTX_READ_V1_1がHレベルに制御される。続く、時刻t21において、2行目の画素行に対する制御信号PTX_READ_V1_2がHレベルに制御される。続く時刻t22において、3行目の画素行に対する制御信号PTX_READ_V1_3がHレベルに制御される。これは光電変換部PDに蓄積された電荷を読み出すリード動作を示しており、これらの動作をもって各行の露光期間が終了する。
次いで、時刻t22において、1行目の画素行に対する制御信号PTX_SH1_V1_1がHレベルに制御される。続く時刻t23において、2行目の画素行に対する制御信号PTX_SH1_V1_2がHレベルに制御される。続く時刻t24において、3行目の画素行に対する制御信号PTX_SH1_V1_3がHレベルに制御される。これにより、制御信号PTX_H1_V1_1,PTX_H1_V1_2,PTX_H1_V1_3は、総てLレベルとなる。すなわち、時刻t22、時刻t23、時刻t24は、それぞれ、1行目、2行目、3行目に属する画素Pの光電変換部PDにおいて、次の露光期間の開始のタイミングとなる。
次に、画素ブロック行V2の動作について、図17を用いて説明する。
まず、時刻t12において、1行目の画素行に対する制御信号PTX_READ_V2_1がHレベルに制御される。続く、時刻t13において、2行目の画素行に対する制御信号PTX_READ_V2_2がHレベルに制御される。続く時刻t14において、3行目の画素行に対する制御信号PTX_READ_V2_3がHレベルに制御される。これにより、画素ブロック行V2に配された選択回路1301において、SRラッチ回路1306がセットされ、制御信号PTX_H1_V2_1,PTX_H1_V2_2,PTX_H1_V2_3が、それぞれHレベルとなる。すなわち、時刻t12、時刻t13、時刻t14は、それぞれ、1行目、2行目、3行目に属する画素Pの光電変換部PDのリセット期間の開始のタイミングとなる。
次いで、時刻t14において、1行目の画素行に対する制御信号PTX_SH1_V2_1がHレベルに制御される。続く時刻t15において、2行目の画素行に対する制御信号PTX_SH1_V2_2がHレベルに制御される。続く時刻t16において、3行目の画素行に対する制御信号PTX_SH1_V2_3がHレベルに制御される。制御信号PTX_SH1_V2_1,PTX_SH1_V2_2,PTX_SH1_V2_3は、1回目のシャッタ動作(SH1)に対応する。制御信号PTX_SH1_V2_1,PTX_SH1_V2_2,PTX_SH1_V2_3がHレベルになるタイミングにおいて、制御信号PTHR_SH1_H1はLレベルになっている。これは、制御信号PTX_SH1_V2_1,PTX_SH1_V2_2,PTX_SH1_V2_3が総て無効になることを示している。
これにより、時刻t14において制御信号PTX_SH_H1_V2_1はLレベルのままである。また、時刻t15において制御信号PTX_SH_H1_V2_2はLレベルのままである。また、時刻t16において制御信号PTX_SH_H1_V2_3はLレベルのままである。
次いで、時刻t17において、1行目の画素行に対する制御信号PTX_SH2_V2_1がHレベルに制御される。続く時刻t18において、2行目の画素行に対する制御信号PTX_SH2_V2_2がHレベルに制御される。続く時刻t19において、3行目の画素行に対する制御信号PTX_SH2_V2_3がHレベルに制御される。制御信号PTX_SH2_V2_1,PTX_SH2_V2_2,PTX_SH2_V2_3は、2回目のシャッタ動作(SH2)に対応する。制御信号PTX_SH2_V2_1,PTX_SH2_V2_2,PTX_SH2_V2_3がHレベルになるタイミングにおいて、制御信号PTHR_SH2_H1はHレベルになっている。これは、制御信号PTX_SH2_V2_1,PTX_SH2_V2_2,PTX_SH2_V2_3が総て有効になることを示している。
これにより、時刻t17において制御信号PTX_SH_H1_V2_1がHレベルとなり、時刻t18において制御信号PTX_SH_H1_V2_2がHレベルとなり、時刻t19において制御信号PTX_SH_H1_V2_3がHレベルとなる。選択回路1301ではSRラッチ回路1306がリセットされ、制御信号PTX_H1_V2_1,PTX_H1_V2_2,PTX_H1_V2_3は、総てLレベルとなる。すなわち、時刻t17、時刻t18、時刻t19は、それぞれ、1行目、2行目、3行目に属する画素Pの光電変換部PDにおいて、リセット期間の終了タイミングであるとともに、露光期間の開始のタイミングとなる。なお、「SH2」が有効となっているため、この露光期間は、露光時間が相対的に短い短秒露光の露光期間となる。
次いで、時刻t23において、1行目の画素行に対する制御信号PTX_READ_V2_1がHレベルに制御される。続く、時刻t24において、2行目の画素行に対する制御信号PTX_READ_V2_2がHレベルに制御される。続く時刻t25において、3行目の画素行に対する制御信号PTX_READ_V2_3がHレベルに制御される。これは光電変換部PDに蓄積された電荷を読み出すリード動作を示しており、これらの動作をもって各行の露光期間が終了する。
図18は、選択回路ブロック302_H2の動作を示すタイミングチャートである。図18には、画素ブロック行V1の動作のみを記載している。なお、図16乃至図18において、時間軸は共通である。
まず、時刻t9において、1行目の画素行に対する制御信号PTX_READ_V1_1がHレベルに制御される。続く、時刻t10において、2行目の画素行に対する制御信号PTX_READ_V1_2がHレベルに制御される。続く時刻t11において、3行目の画素行に対する制御信号PTX_READ_V1_3がHレベルに制御される。これにより、画素ブロック行V1に配された選択回路1301において、SRラッチ回路1306がセットされ、制御信号PTX_H2_V1_1,PTX_H2_V1_2,PTX_H2_V1_3が、それぞれHレベルとなる。すなわち、時刻t9、時刻t10、時刻t11は、それぞれ、1行目、2行目、3行目に属する画素Pの光電変換部PDのリセット期間の開始のタイミングとなる。この動作は画素ブロック列H1と同様である。
次いで、時刻t11において、1行目の画素行に対する制御信号PTX_SH1_V1_1がHレベルに制御される。続く時刻t12において、2行目の画素行に対する制御信号PTX_SH1_V1_2がHレベルに制御される。続く時刻t13において、3行目の画素行に対する制御信号PTX_SH1_V1_3がHレベルに制御される。制御信号PTX_SH1_V1_1,PTX_SH1_V1_2,PTX_SH1_V1_3は、1回目のシャッタ動作(SH1)に対応する。
制御信号PTX_SH1_V1_1,PTX_SH1_V1_2,PTX_SH1_V1_3がHレベルになるタイミングにおいて、制御信号PTHR_SH1_H2はLレベルになっている。これは、制御信号PTX_SH1_V1_1,PTX_SH1_V1_2,PTX_SH1_V1_3が総て無効になることを示している。これにより、時刻t11において制御信号PTX_SH_H2_V1_1はLレベルのままである。また、時刻t12において制御信号PTX_SH_H2_V1_2はLレベルのままである。また、時刻t13において制御信号PTX_SH_H2_V1_3はLレベルのままである。
次いで、時刻t14において、1行目の画素行に対する制御信号PTX_SH2_V1_1がHレベルに制御される。続く時刻t15において、2行目の画素行に対する制御信号PTX_SH2_V1_2がHレベルに制御される。続く時刻t16において、3行目の画素行に対する制御信号PTX_SH2_V1_3がHレベルに制御される。制御信号PTX_SH2_V1_1,PTX_SH2_V1_2,PTX_SH2_V1_3は、2回目のシャッタ動作(SH2)に対応する。
制御信号PTX_SH2_V1_1,PTX_SH2_V1_2,PTX_SH2_V1_3がHレベルになるタイミングにおいて、制御信号PTHR_SH2_H2はHレベルになっている。これは、制御信号PTX_SH2_V1_1,PTX_SH2_V1_2,PTX_SH2_V1_3が総て有効になることを示している。これにより、時刻t14において制御信号PTX_SH_H2_V1_1がHレベルとなり、時刻t15において制御信号PTX_SH_H2_V1_2がHレベルとなり、時刻t16において制御信号PTX_SH_H2_V1_3がHレベルとなる。
選択回路1301ではSRラッチ回路1306がリセットされ、制御信号PTX_H2_V1_1,PTX_H2_V1_2,PTX_H2_V1_3は、総てLレベルとなる。すなわち、時刻t14、時刻t15、時刻t16は、それぞれ、1行目、2行目、3行目に属する画素Pの光電変換部PDにおいて、リセット期間の終了タイミングであるとともに、露光期間の開始のタイミングとなる。なお、「SH2」が有効となっているため、この露光期間は、短秒露光の露光期間となる。
次いで、時刻t20において、1行目の画素行に対する制御信号PTX_READ_V1_1がHレベルに制御される。続く、時刻t21において、2行目の画素行に対する制御信号PTX_READ_V1_2がHレベルに制御される。続く時刻t22において、3行目の画素行に対する制御信号PTX_READ_V1_3がHレベルに制御される。これは光電変換部PDに蓄積された電荷を読み出すリード動作を示しており、これらの動作をもって各行の露光期間が終了する。
このように、本実施形態によれば、露光期間外に光電変換部PDがリセット状態で保持されているため、「RST」が断続的に入る場合と比較して、電荷漏れ出しに対する抑制効果が高い。すなわち、第1乃至第3実施形態では、「RST」から「SH」までの期間に強度の高い光が入射し、光電変換部PDから電荷が漏れ出す可能性があるが、本実施形態ではその虞はない。また、「RST」が断続的に入る動作では、特許文献1の場合のように、電荷漏れ出し抑制に十分な「RST」の回数を算出する必要があるが、本実施形態ではその必要がない。また、画素制御部102内にラッチ回路を持つことで、光電変換部PDのリセット状態を保持する動作を論理回路で実現することができる。これにより、アナログ回路で露光期間の制御を行う場合と比較して回路設計が容易であり、また、回路動作にアナログノイズが入ることがないため、露光期間のばらつきを抑制することができる。
[第5実施形態]
本発明の第5実施形態による光電変換装置及びその駆動方法について、図19乃至図23を用いて説明する。第1乃至第4実施形態による光電変換装置と同様の構成要素には同一の符号を付し、説明を省略し或いは簡潔にする。
本実施形態は、光電変換部PDから電荷を読み出す動作(リード動作)の際に、制御信号PTXを、Hレベル、Lレベル、Hレベルの順に制御する動作を行う点で、第4実施形態とは異なっている。また、その動作を実現するために、選択回路ブロック302をSRラッチ回路及びDフリップフロップ回路を用いて構成している点で、第4実施形態とは異なっている。
図19は、本実施形態による光電変換装置における画素制御部102の構成例を示すブロック図である。本実施形態による光電変換装置における画素制御部102の全体構成は、図19に示すように、総ての選択回路1301に制御信号PLAT_Dが共通に入力されているほかは、第4実施形態による光電変換装置における画素制御部102と同様である。
図20は、本実施形態による光電変換装置における選択回路1301の構成例を示す回路図である。図20には、選択回路1301(HL,VM,N)の一例として、選択回路1301(H1,V1,1)の構成例を示している。
選択回路1301(H1,V1,1)は、例えば、SH1用ANDゲート1502と、SH2用ANDゲート1503と、SH用ORゲート1504と、SRラッチ回路1505と、Dラッチ回路1506と、出力用ORゲート1507と、を有する。SRラッチ回路1505は、SRフリップフロップにより構成されるラッチ回路である。Dラッチ回路1506は、Dフリップフロップにより構成されるラッチ回路である。
SH1用ANDゲート1502には、制御信号PTX_SH1_V1_1と、制御信号PTHR_SH1_H1と、が入力される。つまり、制御信号PTX_SH1_V1_1は、制御信号PTHR_SH1_H1がHレベルの場合のみ、後段のSH用ORゲート1504へと出力される。同様に、SH2用ANDゲート1503には、制御信号PTX_SH2_V1_1と、制御信号PTHR_SH2_H1と、が入力される。つまり、制御信号PTX_SH2_V1_1は、制御信号PTHR_SH2_H1がHレベルの場合のみ、後段のSH用ORゲート1504へと出力される。なお、制御信号PTX_SH1_V1_1,PTX_SH2_V1_1の通過/非通過の選択は、シャッタ動作の有効/無効の選択と対応している。SH用ORゲート1504は、SH1用ANDゲート1502の出力信号及びSH2用ANDゲート1503の出力信号を受けて、制御信号PTX_SH_H1_V1_1を出力する。
SRラッチ回路1505は、セット端子(S)への制御信号PTX_READ_V1_1の入力と、リセット端子(R)への制御信号PTX_SH_H1_V1_1の入力とを受け、出力端子(Q)から制御信号PTX_SRQ_H1_V1_1を出力する。Dラッチ回路1506は、データ端子(D)への制御信号PTX_SRQ_H1_V1_1の入力と、クロック端子への制御信号PLAT_Dの入力とを受けて、出力端子(Q)から制御信号PTX_DQ_H1_V1_1を出力する。出力用ORゲート1507は、制御信号PTX_READ_V1_1と、制御信号PTX_DQ_H1_V1_1との入力を受けて、制御信号PTX_H1_V1_1を出力する。この制御信号PTX_H1_V1_1が、選択回路1301(H1,V1,1)の出力信号である。
SRラッチ回路1505は、光電変換部PDのリセット状態及び露光状態を保持するために用いられる。また、Dラッチ回路1506は、リセット状態及び露光状態の開始/終了タイミングを制御するために用いられる。
このように、本実施形態による光電変換装置における選択回路1301は、対応する画素ブロックの行に属する画素の転送トランジスタに供給される制御信号を生成するための少なくとも2つの信号レベル保持部を有する。
2つの信号レベル保持部のうち、前段に配された信号レベル保持部は、リードタイミングを示す制御信号の立ち上がりから、有効なリセットタイミングを示す制御信号の立ち上がりまでの期間の間、出力信号のレベルをHレベルに保持する。この前段の信号レベル保持部は、図20の選択回路1301におけるSRラッチ回路1505に対応する。
2つの信号レベル保持部のうち後段に配された信号レベル保持部は、前段の信号レベル保持部の出力信号及び光電変換部のリセット期間の開始のタイミングを示すタイミング制御信号(制御信号PLAT_D)に応じて、出力信号のレベルをHレベルに保持する。この後段の信号レベル保持部は、図20の選択回路1301におけるDラッチ回路1506に対応する。タイミング制御信号は、総ての選択回路1301に共通に入力される信号である。
次に、本実施形態による光電変換装置の駆動方法について、図21乃至図23を用いて説明する。図21乃至図23は、本実施形態による光電変換装置の動作例を示すタイミングチャートである。
図21及び図22は、選択回路ブロック302_H1の動作を示すタイミングチャートである。図21には、画素ブロック行V1の動作のみを記載している。図22には、画素ブロック行V2の動作のみを記載している。なお、図21及び図22において、時間軸は共通である。
はじめに、画素ブロック行V1の動作について、図21を用いて説明する。
まず、時刻t27から時刻t27’の期間において、1行目の画素行に対する制御信号PTX_READ_V1_1がHレベルに制御される。これにより、選択回路1301(H1,V1,1)では、制御信号PTX_H1_V1_1がHレベルになると同時にSRラッチ回路1505がセットされ、制御信号PTX_SRQ_H1_V1_1がHレベルとなる。
次いで、時刻t28において、制御信号PLAT_DがHレベルになることで、Dラッチ回路1506は、Hレベルの制御信号PTX_SRQ_H1_V1_1を受け、Hレベルの制御信号PTX_DQ_H1_V1_1を出力する。これにより、出力用ORゲート1507の出力信号である制御信号PTX_H1_V1_1がHレベルとなる。
なお、時刻t28よりも前の時刻t27’の時点において制御信号PTX_READ_V1_1はLレベルに戻っているため、時刻t27’から時刻t28までの期間において制御信号PTX_H1_V1_1はLレベルに戻っている。したがって、1行目に属する画素Pにおける光電変換部PDのリセット期間の開始タイミングは、制御信号PLAT_DがHレベルになった時刻t28となる。このタイミングの前後関係(1水平期間内で見たときに制御信号PLAT_DがHレベルとなる前に制御信号PTX_READがLレベルになっているという前後関係)は、以後の総ての選択回路1301の動作において同様である。
次いで、時刻t29において、2行目の画素行に対する制御信号PTX_READ_V1_2がHレベルに制御される。これにより、選択回路1301(H1,V1,2)では、制御信号PTX_H1_V1_2がHレベルになると同時にSRラッチ回路1505がセットされ、制御信号PTX_SRQ_H1_V1_2がHレベルとなる。
次いで、時刻t30において、制御信号PLAT_DがHレベルになることで、Dラッチ回路1506は、Hレベルの制御信号PTX_SRQ_H1_V1_2を受け、Hレベルの制御信号PTX_DQ_H1_V1_2を出力する。これにより、出力用ORゲート1507の出力信号である制御信号PTX_H1_V1_2がHレベルとなる。時刻t30が、2行目に属する画素Pにおける光電変換部PDのリセット期間の開始タイミングとなる。
次いで、時刻t31において、3行目の画素行に対する制御信号PTX_READ_V1_3がHレベルに制御される。これにより、選択回路1301(H1,V1,3)では、制御信号PTX_H1_V1_3がHレベルになると同時にSRラッチ回路1505がセットされ、制御信号PTX_SRQ_H1_V1_3がHレベルとなる。
次いで、時刻t32において、制御信号PLAT_DがHレベルになることで、Dラッチ回路1506は、Hレベルの制御信号PTX_SRQ_H1_V1_3を受け、Hレベルの制御信号PTX_DQ_H1_V1_3を出力する。これにより、出力用ORゲート1507の出力信号である制御信号PTX_H1_V1_3がHレベルとなる。時刻t32が、2行目に属する画素Pにおける光電変換部PDのリセット期間の開始タイミングとなる。
次いで、時刻t31において、1行目の画素行に対する制御信号PTX_SH1_V1_1がHレベルに制御される。制御信号PTX_SH1_V1_1は、1回目のシャッタ動作(SH1)に対応する。制御信号PTX_SH1_V1_1がHレベルになるタイミングにおいて、制御信号PTHR_SH1_H1はHレベルになっている。これは、制御信号PTX_SH1_V1_1が有効になることを示している。これにより、時刻t31において制御信号PTX_SH_H1_V1_1がHレベルとなる。選択回路1301ではSRラッチ回路1505がリセットされ、制御信号PTX_SRQ_H1_V1_1はLレベルとなる。
次いで、時刻t32において、制御信号PLAT_DがHレベルになることで、Dラッチ回路1506は、Lレベルの制御信号PTX_SRQ_H1_V1_1を受け、Lレベルの制御信号PTX_DQ_H1_V1_1を出力する。これにより、出力用ORゲート1507の出力信号である制御信号PTX_H1_V1_1がLレベルとなる。すなわち、時刻t32は、1行目に属する画素Pの光電変換部PDにおいて、リセット期間の終了タイミングであるとともに、露光期間の開始のタイミングとなる。
次いで、時刻t33において、2行目の画素行に対する制御信号PTX_SH1_V1_2がHレベルに制御される。制御信号PTX_SH1_V1_2は、1回目のシャッタ動作(SH1)に対応する。制御信号PTX_SH1_V1_2がHレベルになるタイミングにおいて、制御信号PTHR_SH1_H1はHレベルになっている。これは、制御信号PTX_SH1_V1_2が有効になることを示している。これにより、時刻t33において制御信号PTX_SH_H1_V1_2がHレベルとなる。選択回路1301ではSRラッチ回路1505がリセットされ、制御信号PTX_SRQ_H1_V1_2はLレベルとなる。
次いで、時刻t34において、制御信号PLAT_DがHレベルになることで、Dラッチ回路1506は、Lレベルの制御信号PTX_SRQ_H1_V1_2を受け、Lレベルの制御信号PTX_DQ_H1_V1_2を出力する。これにより、出力用ORゲート1507の出力信号である制御信号PTX_H1_V1_2がLレベルとなる。すなわち、時刻t34は、2行目に属する画素Pの光電変換部PDにおいて、リセット期間の終了タイミングであるとともに、露光期間の開始のタイミングとなる。
次いで、時刻t35において、3行目の画素行に対する制御信号PTX_SH1_V1_3がHレベルに制御される。制御信号PTX_SH1_V1_3は、1回目のシャッタ動作(SH1)に対応する。制御信号PTX_SH1_V1_3がHレベルになるタイミングにおいて、制御信号PTHR_SH1_H1はHレベルになっている。これは、制御信号PTX_SH1_V1_3が有効になることを示している。これにより、時刻t35において制御信号PTX_SH_H1_V1_3がHレベルとなる。選択回路1301ではSRラッチ回路1505がリセットされ、制御信号PTX_SRQ_H1_V1_3はLレベルとなる。
次いで、時刻t36において、制御信号PLAT_DがHレベルになることで、Dラッチ回路1506は、Lレベルの制御信号PTX_SRQ_H1_V1_3を受け、Lレベルの制御信号PTX_DQ_H1_V1_3を出力する。これにより、出力用ORゲート1507の出力信号である制御信号PTX_H1_V1_3がLレベルとなる。すなわち、時刻t36は、3行目に属する画素Pの光電変換部PDにおいて、リセット期間の終了タイミングであるとともに、露光期間の開始のタイミングとなる。
次いで、時刻t37において、1行目の画素行に対する制御信号PTX_SH2_V1_1がHレベルに制御される。続く時刻t39において、2行目の画素行に対する制御信号PTX_SH2_V1_2がHレベルに制御される。続く時刻t41において、3行目の画素行に対する制御信号PTX_SH2_V1_3がHレベルに制御される。制御信号PTX_SH2_V1_1,PTX_SH2_V1_2,PTX_SH2_V1_3は、2回目のシャッタ動作(SH2)に対応する。
制御信号PTX_SH2_V1_1,PTX_SH2_V1_2,PTX_SH2_V1_3がHレベルになるタイミングにおいて、制御信号PTHR_SH2_H1はLレベルになっている。これは、制御信号PTX_SH2_V1_1,PTX_SH2_V1_2,PTX_SH2_V1_3が無効になることを示している。これにより、時刻t37において制御信号PTX_SH_H1_V1_1はLレベルのままである。また、時刻t39において、制御信号PTX_SH_H1_V1_2はLレベルのままである。また、時刻t41において、制御信号PTX_SH_H1_V1_3はLレベルのままである。なお、「SH1」が有効となっており、「SH2」が無効となっているため、この露光期間は、長秒露光の露光期間となる。
続く時刻t49,t50,t51,t52,t53,t54では、時刻t27,t28,t29,t30,t31,t32における動作と同様の動作を行う。この動作により、制御信号PTX_READ_V1_1,PTX_READ_V1_2,PTX_READ_V1_3は、それぞれ、Hレベル、Lレベル、Hレベルの順に遷移する。この動作は、光電変換部PDに蓄積された電荷を読み出すリード動作である。このリード動作をもって、各行の露光期間が終了する。
また、時刻t53,t54,t55,t56,t57,t58,t59,t60における動作も、時刻t31,t32,t33,t34,t35,t36,t37,t38における動作と同様である。
次に、画素ブロック行V2の動作について、図22を用いて説明する。
まず、時刻t33において、1行目の画素行に対する制御信号PTX_READ_V2_1がHレベルに制御される。これにより、選択回路1301(H1,V2,1)では、制御信号PTX_H1_V2_1がHレベルになると同時にSRラッチ回路1505がセットされ、制御信号PTX_SRQ_H1_V2_1がHレベルとなる。
次いで、時刻t34において、制御信号PLAT_DがHレベルになることで、Dラッチ回路1506は、Hレベルの制御信号PTX_SRQ_H1_V2_1を受け、Hレベルの制御信号PTX_DQ_H1_V2_1を出力する。これにより、出力用ORゲート1507の出力信号である制御信号PTX_H1_V2_1がHレベルとなる。時刻t34が、1行目に属する画素Pにおける光電変換部PDのリセット期間の開始タイミングとなる。
次いで、時刻t35において、2行目の画素行に対する制御信号PTX_READ_V2_2がHレベルに制御される。これにより、選択回路1301(H1,V2,2)では、制御信号PTX_H1_V2_2がHレベルになると同時にSRラッチ回路1505がセットされ、制御信号PTX_SRQ_H1_V2_2がHレベルとなる。
次いで、時刻t36において、制御信号PLAT_DがHレベルになることで、Dラッチ回路1506は、Hレベルの制御信号PTX_SRQ_H1_V2_2を受け、Hレベルの制御信号PTX_DQ_H1_V2_2を出力する。これにより、出力用ORゲート1507の出力信号である制御信号PTX_H1_V2_2がHレベルとなる。時刻t36が、2行目に属する画素Pにおける光電変換部PDのリセット期間の開始タイミングとなる。
次いで、時刻t37において、3行目の画素行に対する制御信号PTX_READ_V2_3がHレベルに制御される。これにより、選択回路1301(H1,V2,3)では、制御信号PTX_H1_V2_3がHレベルになると同時にSRラッチ回路1505がセットされ、制御信号PTX_SRQ_H1_V2_3がHレベルとなる。
次いで、時刻t38において、制御信号PLAT_DがHレベルになることで、Dラッチ回路1506は、Hレベルの制御信号PTX_SRQ_H1_V2_3を受け、Hレベルの制御信号PTX_DQ_H1_V2_3を出力する。これにより、出力用ORゲート1507の出力信号である制御信号PTX_H1_V2_3がHレベルとなる。時刻t38が、3行目に属する画素Pにおける光電変換部PDのリセット期間の開始タイミングとなる。
次いで、時刻t37において、1行目の画素行に対する制御信号PTX_SH1_V2_1がHレベルに制御される。続く時刻t39において、2行目の画素行に対する制御信号PTX_SH1_V2_2がHレベルに制御される。続く時刻t41において、3行目の画素行に対する制御信号PTX_SH1_V2_3がHレベルに制御される。制御信号PTX_SH1_V2_1,PTX_SH1_V2_2,PTX_SH1_V2_3は、1回目のシャッタ動作(SH1)に対応する。
制御信号PTX_SH1_V2_1,PTX_SH1_V2_2,PTX_SH1_V2_3がHレベルになるタイミングにおいて、制御信号PTHR_SH1_H1はLレベルになっている。これは、制御信号PTX_SH1_V2_1,PTX_SH1_V2_2,PTX_SH1_V2_3が無効になることを示している。これにより、時刻t37において制御信号PTX_SH_H1_V2_1はLレベルのままである。また、時刻t39において、制御信号PTX_SH_H1_V2_2はLレベルのままである。また、時刻t41において、制御信号PTX_SH_H1_V2_3はLレベルのままである。
次いで、時刻t43において、1行目の画素行に対する制御信号PTX_SH2_V2_1がHレベルに制御される。制御信号PTX_SH2_V2_1は、2回目のシャッタ動作(SH2)に対応する。制御信号PTX_SH2_V2_1がHレベルになるタイミングにおいて、制御信号PTHR_SH2_H1はHレベルになっている。これは、制御信号PTX_SH2_V2_1が有効になることを示している。これにより、時刻t43において制御信号PTX_SH_H1_V2_1がHレベルとなる。選択回路1301ではSRラッチ回路1505がリセットされ、制御信号PTX_SRQ_H1_V2_1はLレベルとなる。
次いで、時刻t44において、制御信号PLAT_DがHレベルになることで、Dラッチ回路1506は、Lレベルの制御信号PTX_SRQ_H1_V2_1を受け、Lレベルの制御信号PTX_DQ_H1_V2_1を出力する。これにより、出力用ORゲート1507の出力信号である制御信号PTX_H1_V2_1がLレベルとなる。すなわち、時刻t44は、1行目に属する画素Pの光電変換部PDにおいて、リセット期間の終了タイミングであるとともに、露光期間の開始のタイミングとなる。なお、「SH2」が有効となっているため、この露光期間は、短秒露光の露光期間となる。
次いで、時刻t45において、2行目の画素行に対する制御信号PTX_SH2_V2_2がHレベルに制御される。制御信号PTX_SH2_V2_2は、2回目のシャッタ動作(SH2)に対応する。制御信号PTX_SH2_V2_2がHレベルになるタイミングにおいて、制御信号PTHR_SH2_H1はHレベルになっている。これは、制御信号PTX_SH2_V2_2が有効になることを示している。これにより、時刻t45において制御信号PTX_SH_H1_V2_2がHレベルとなる。選択回路1301ではSRラッチ回路1505がリセットされ、制御信号PTX_SRQ_H1_V2_2はLレベルとなる。
次いで、時刻t46において、制御信号PLAT_DがHレベルになることで、Dラッチ回路1506は、Lレベルの制御信号PTX_SRQ_H1_V2_2を受け、Lレベルの制御信号PTX_DQ_H1_V2_2を出力する。これにより、出力用ORゲート1507の出力信号である制御信号PTX_H1_V2_2がLレベルとなる。すなわち、時刻t46は、2行目に属する画素Pの光電変換部PDにおいて、リセット期間の終了タイミングであるとともに、露光期間の開始のタイミングとなる。なお、「SH2」が有効となっているため、この露光期間は、短秒露光の露光期間となる。
次いで、時刻t47において、3行目の画素行に対する制御信号PTX_SH2_V2_3がHレベルに制御される。制御信号PTX_SH2_V2_3は、2回目のシャッタ動作(SH2)に対応する。制御信号PTX_SH2_V2_3がHレベルになるタイミングにおいて、制御信号PTHR_SH2_H1はHレベルになっている。これは、制御信号PTX_SH2_V2_3が有効になることを示している。これにより、時刻t47において制御信号PTX_SH_H1_V2_3がHレベルとなる。選択回路1301ではSRラッチ回路1505がリセットされ、制御信号PTX_SRQ_H1_V2_3はLレベルとなる。
次いで、時刻t48において、制御信号PLAT_DがHレベルになることで、Dラッチ回路1506は、Lレベルの制御信号PTX_SRQ_H1_V2_3を受け、Lレベルの制御信号PTX_DQ_H1_V2_3を出力する。これにより、出力用ORゲート1507の出力信号である制御信号PTX_H1_V2_3がLレベルとなる。すなわち、時刻t48は、3行目に属する画素Pの光電変換部PDにおいて、リセット期間の終了タイミングであるとともに、露光期間の開始のタイミングとなる。なお、「SH2」が有効となっているため、この露光期間は、短秒露光の露光期間となる。
続く時刻t55,t56,t57,t58,t59,t60では、時刻t33,t34,t35,t36,t37,t38における動作と同様の動作を行う。この動作により、制御信号PTX_READ_V2_1,PTX_READ_V2_2,PTX_READ_V2_3は、それぞれ、Hレベル、Lレベル、Hレベルの順に遷移する。この動作は、光電変換部PDに蓄積された電荷を読み出すリード動作である。このリード動作をもって、各行の露光期間が終了する。
図23は、選択回路ブロック302_H2の動作を示すタイミングチャートである。図23には、画素ブロック行V1の動作のみを記載している。なお、図21乃至図23において、時間軸は共通である。
まず、時刻t27から時刻t27’の期間において、1行目の画素行に対する制御信号PTX_READ_V1_1がHレベルに制御される。これにより、選択回路1301(H2,V1,1)では、制御信号PTX_H2_V1_1がHレベルになると同時にSRラッチ回路1505がセットされ、制御信号PTX_SRQ_H2_V1_1がHレベルとなる。
次いで、時刻t28において、制御信号PLAT_DがHレベルになることで、Dラッチ回路1506は、Hレベルの制御信号PTX_SRQ_H2_V1_1を受け、Hレベルの制御信号PTX_DQ_H2_V1_1を出力する。これにより、出力用ORゲート1507の出力信号である制御信号PTX_H2_V1_1がHレベルとなる。時刻t28が、1行目に属する画素Pにおける光電変換部PDのリセット期間の開始タイミングとなる。
次いで、時刻t29において、2行目の画素行に対する制御信号PTX_READ_V1_2がHレベルに制御される。これにより、選択回路1301(H2,V1,2)では、制御信号PTX_H2_V1_2がHレベルになると同時にSRラッチ回路1505がセットされ、制御信号PTX_SRQ_H2_V1_2がHレベルとなる。
次いで、時刻t30において、制御信号PLAT_DがHレベルになることで、Dラッチ回路1506は、Hレベルの制御信号PTX_SRQ_H2_V1_2を受け、Hレベルの制御信号PTX_DQ_H2_V1_2を出力する。これにより、出力用ORゲート1507の出力信号である制御信号PTX_H2_V1_2がHレベルとなる。時刻t30が、2行目に属する画素Pにおける光電変換部PDのリセット期間の開始タイミングとなる。
次いで、時刻t31において、3行目の画素行に対する制御信号PTX_READ_V1_3がHレベルに制御される。これにより、選択回路1301(H2,V1,3)では、制御信号PTX_H2_V1_3がHレベルになると同時にSRラッチ回路1505がセットされ、制御信号PTX_SRQ_H2_V1_3がHレベルとなる。
次いで、時刻t32において、制御信号PLAT_DがHレベルになることで、Dラッチ回路1506は、Hレベルの制御信号PTX_SRQ_H2_V1_3を受け、Hレベルの制御信号PTX_DQ_H2_V1_3を出力する。これにより、出力用ORゲート1507の出力信号である制御信号PTX_H2_V1_3がHレベルとなる。時刻t32が、3行目に属する画素Pにおける光電変換部PDのリセット期間の開始タイミングとなる。
次いで、時刻t31において、1行目の画素行に対する制御信号PTX_SH1_V1_1がHレベルに制御される。続く時刻t33において、2行目の画素行に対する制御信号PTX_SH1_V1_2がHレベルに制御される。続く時刻t35において、3行目の画素行に対する制御信号PTX_SH1_V1_3がHレベルに制御される。制御信号PTX_SH1_V1_1,PTX_SH1_V1_2,PTX_SH1_V1_3は、1回目のシャッタ動作(SH1)に対応する。
制御信号PTX_SH1_V1_1,PTX_SH1_V1_2,PTX_SH1_V1_3がHレベルになるタイミングにおいて、制御信号PTHR_SH1_H2はLレベルになっている。これは、制御信号PTX_SH1_V1_1,PTX_SH1_V1_2,PTX_SH1_V1_3が無効になることを示している。これにより、時刻t31において制御信号PTX_SH_H2_V1_1はLレベルのままである。また、時刻t33において、制御信号PTX_SH_H2_V1_2はLレベルのままである。また、時刻t35において、制御信号PTX_SH_H2_V1_3はLレベルのままである。
次いで、時刻t37において、1行目の画素行に対する制御信号PTX_SH2_V1_1がHレベルに制御される。制御信号PTX_SH2_V1_1は、2回目のシャッタ動作(SH2)に対応する。制御信号PTX_SH2_V1_1がHレベルになるタイミングにおいて、制御信号PTHR_SH2_H2はHレベルになっている。これは、制御信号PTX_SH2_V1_1が有効になることを示している。これにより、時刻t38において制御信号PTX_SH_H2_V1_1がHレベルとなる。選択回路1301ではSRラッチ回路1505がリセットされ、制御信号PTX_SRQ_H2_V1_1はLレベルとなる。
次いで、時刻t38において、制御信号PLAT_DがHレベルになることで、Dラッチ回路1506は、Lレベルの制御信号PTX_SRQ_H2_V1_1を受け、Lレベルの制御信号PTX_DQ_H2_V1_1を出力する。これにより、出力用ORゲート1507の出力信号である制御信号PTX_H2_V1_1がLレベルとなる。すなわち、時刻t38は、1行目に属する画素Pの光電変換部PDにおいて、リセット期間の終了タイミングであるとともに、露光期間の開始のタイミングとなる。なお、「SH2」が有効となっているため、この露光期間は、短秒露光の露光期間となる。
次いで、時刻t39において、2行目の画素行に対する制御信号PTX_SH2_V1_2がHレベルに制御される。制御信号PTX_SH2_V1_2は、2回目のシャッタ動作(SH2)に対応する。制御信号PTX_SH2_V1_2がHレベルになるタイミングにおいて、制御信号PTHR_SH2_H2はHレベルになっている。これは、制御信号PTX_SH2_V1_2が有効になることを示している。これにより、時刻t39において制御信号PTX_SH_H2_V1_2がHレベルとなる。選択回路1301ではSRラッチ回路1505がリセットされ、制御信号PTX_SRQ_H2_V1_2はLレベルとなる。
次いで、時刻t40において、制御信号PLAT_DがHレベルになることで、Dラッチ回路1506は、Lレベルの制御信号PTX_SRQ_H2_V1_2を受け、Lレベルの制御信号PTX_DQ_H2_V1_2を出力する。これにより、出力用ORゲート1507の出力信号である制御信号PTX_H2_V1_2がLレベルとなる。すなわち、時刻t40は、2行目に属する画素Pの光電変換部PDにおいて、リセット期間の終了タイミングであるとともに、露光期間の開始のタイミングとなる。なお、「SH2」が有効となっているため、この露光期間は、短秒露光の露光期間となる。
次いで、時刻t41において、3行目の画素行に対する制御信号PTX_SH2_V1_3がHレベルに制御される。制御信号PTX_SH2_V1_3は、3回目のシャッタ動作(SH2)に対応する。制御信号PTX_SH2_V1_3がHレベルになるタイミングにおいて、制御信号PTHR_SH2_H2はHレベルになっている。これは、制御信号PTX_SH2_V1_3が有効になることを示している。これにより、時刻t41において制御信号PTX_SH_H2_V1_3がHレベルとなる。選択回路1301ではSRラッチ回路1505がリセットされ、制御信号PTX_SRQ_H2_V1_3はLレベルとなる。
次いで、時刻t42において、制御信号PLAT_DがHレベルになることで、Dラッチ回路1506は、Lレベルの制御信号PTX_SRQ_H2_V1_3を受け、Lレベルの制御信号PTX_DQ_H2_V1_3を出力する。これにより、出力用ORゲート1507の出力信号である制御信号PTX_H2_V1_3がLレベルとなる。すなわち、時刻t42は、3行目に属する画素Pの光電変換部PDにおいて、リセット期間の終了タイミングであるとともに、露光期間の開始のタイミングとなる。なお、「SH2」が有効となっているため、この露光期間は、短秒露光の露光期間となる。
続く時刻t49,t50,t51,t52,t53,t54では、時刻t27,t28,t29,t30,t31,t32における動作と同様の動作を行う。この動作により、制御信号PTX_READ_V1_1,PTX_READ_V1_2,PTX_READ_V1_3は、それぞれ、Hレベル、Lレベル、Hレベルの順に遷移する。この動作は、光電変換部PDに蓄積された電荷を読み出すリード動作である。このリード動作をもって、各行の露光期間が終了する。
本実施形態においては、リード動作の際に、制御信号PTXをHレベル、Lレベル、Hレベルの順に制御する動作を行う。すなわち、最初のHレベルの期間において、露光期間の間に光電変換部PDに蓄積された電荷をフローティングディフュージョンFDに転送する。そして、次のLレベルの期間において、フローティングディフュージョンFDの電位に基づく信号の読み出しを行う。その後、制御信号PTXをHレベルに戻し、光電変換部PDのリセットを開始する。露光期間以外の期間に光電変換部PDをリセット状態に保持する観点からは、蓄積電荷の読み出し時に制御信号PTXをHレベルに保持することも考えられるが、本実施形態では蓄積電荷の読み出し時に制御信号を一旦、Lレベルに遷移するのである。
このような駆動によって得られる効果は、リセットノイズに基づく信号の読み出しを行う場合に発揮される。ここで、リセットノイズとは、光電変換部PDに蓄積された電荷をフローティングディフュージョンFDに読み出す際に加算されてしまうノイズ成分である。そのため多くの撮像装置では、予めリセットノイズに基づく信号を取得しておき、後段の回路でフローティングディフュージョンFDに転送した電荷に基づく信号から差し引くことで、光電変換部PDに蓄積された真の電荷量に基づく信号を取得している。そのため、フローティングディフュージョンFDに転送した電荷に基づく信号の読み出し時とリセットノイズに基づく信号の読み出し時とにおいて、フローティングディフュージョンFDの状態は同一であることが望ましい。リセットノイズに基づく信号の読み出し時には制御信号PTXはLレベルに制御されるため、フローティングディフュージョンFDに転送した電荷に基づく信号の読み出し時においても制御信号PTXはLレベルに制御することが望ましい。
このように、本実施形態によれば、真の電荷の読み出し時に制御信号PTXをLレベルにすることができる。したがって、上記のようなフローティングディフュージョンFDのリセットノイズを読み出す駆動をした場合に、後段の回路で各信号の差を取ったのち、光電変換部PDに蓄積された真の電荷の量のみを読み出すことが可能となる。
[第6実施形態]
本発明の第6実施形態による撮像システムについて、図24を用いて説明する。図24は、本実施形態による撮像システムの概略構成を示すブロック図である。
上記第1乃至第5実施形態で述べた光電変換装置100は、種々の撮像システムに適用可能である。適用可能な撮像システムの例としては、デジタルスチルカメラ、デジタルカムコーダ、監視カメラ、複写機、ファックス、携帯電話、車載カメラ、観測衛星などが挙げられる。また、レンズなどの光学系と撮像装置とを備えるカメラモジュールも、撮像システムに含まれる。図24には、これらのうちの一例として、デジタルスチルカメラのブロック図を例示している。
図24に例示した撮像システム400は、撮像装置401、被写体の光学像を撮像装置401に結像させるレンズ402、レンズ402を通過する光量を可変にするための絞り404、レンズ402の保護のためのバリア406を有する。レンズ402及び絞り404は、撮像装置401に光を集光する光学系である。撮像装置401は、第1乃至第5実施形態のいずれかで説明した光電変換装置100であって、レンズ402により結像された光学像を画像データに変換する。
撮像システム400は、また、撮像装置401より出力される出力信号の処理を行う信号処理部408を有する。信号処理部408は、撮像装置401が出力するアナログ信号をデジタル信号に変換するAD変換を行う。また、信号処理部408はその他、必要に応じて各種の補正、圧縮を行って画像データを出力する動作を行う。信号処理部408の一部であるAD変換部は、撮像装置401が設けられた半導体基板に形成されていてもよいし、撮像装置401とは別の半導体基板に形成されていてもよい。また、撮像装置401と信号処理部408とが同一の半導体基板に形成されていてもよい。
撮像システム400は、更に、画像データを一時的に記憶するためのメモリ部410、外部コンピュータ等と通信するための外部インターフェース部(外部I/F部)412を有する。更に撮像システム400は、撮像データの記録又は読み出しを行うための半導体メモリ等の記録媒体414、記録媒体414に記録又は読み出しを行うための記録媒体制御インターフェース部(記録媒体制御I/F部)416を有する。なお、記録媒体414は、撮像システム400に内蔵されていてもよく、着脱可能であってもよい。
更に撮像システム400は、各種演算とデジタルスチルカメラ全体を制御する全体制御・演算部418、撮像装置401と信号処理部408に各種タイミング信号を出力するタイミング発生部420を有する。ここで、タイミング信号などは外部から入力されてもよく、撮像システム400は少なくとも撮像装置401と、撮像装置401から出力された出力信号を処理する信号処理部408とを有すればよい。
撮像装置401は、撮像信号を信号処理部408に出力する。信号処理部408は、撮像装置401から出力される撮像信号に対して所定の信号処理を実施し、画像データを出力する。信号処理部408は、撮像信号を用いて、画像を生成する。また、信号処理部408において、露光期間の長さの異なる画素ブロック201の画素Pから取得した信号に基づき、高ダイナミックレンジ画像を合成するようにしてもよい。
このように、本実施形態によれば、第1乃至第5実施形態による光電変換装置100を適用した撮像システムを実現することができる。
[第7実施形態]
本発明の第7実施形態による撮像システム及び移動体について、図25を用いて説明する。図25は、本実施形態による撮像システム及び移動体の構成を示す図である。
図25(a)は、車載カメラに関する撮像システムの一例を示したものである。撮像システム500は、撮像装置510を有する。撮像装置510は、上記第1乃至第5実施形態のいずれかに記載の光電変換装置100である。撮像システム500は、撮像装置510により取得された複数の画像データに対し、画像処理を行う画像処理部512と、撮像システム500により取得された複数の画像データから視差(視差画像の位相差)の算出を行う視差取得部514を有する。また、撮像システム500は、算出された視差に基づいて対象物までの距離を算出する距離取得部516と、算出された距離に基づいて衝突可能性があるか否かを判定する衝突判定部518と、を有する。ここで、視差取得部514や距離取得部516は、対象物までの距離情報を取得する距離情報取得手段の一例である。すなわち、距離情報とは、視差、デフォーカス量、対象物までの距離等に関する情報である。衝突判定部518はこれらの距離情報のいずれかを用いて、衝突可能性を判定してもよい。距離情報取得手段は、専用に設計されたハードウェアによって実現されてもよいし、ソフトウェアモジュールによって実現されてもよい。また、FPGA(Field Programmable Gate Array)やASIC(Application Specific Integrated Circuit)等によって実現されてもよいし、これらの組合せによって実現されてもよい。
撮像システム500は車両情報取得装置520と接続されており、車速、ヨーレート、舵角などの車両情報を取得することができる。また、撮像システム500は、衝突判定部518での判定結果に基づいて、車両に対して制動力を発生させる制御信号を出力する制御装置である制御ECU530が接続されている。また、撮像システム500は、衝突判定部518での判定結果に基づいて、ドライバーへ警報を発する警報装置540とも接続されている。例えば、衝突判定部518の判定結果として衝突可能性が高い場合、制御ECU530はブレーキをかける、アクセルを戻す、エンジン出力を抑制するなどして衝突を回避、被害を軽減する車両制御を行う。警報装置540は音等の警報を鳴らす、カーナビゲーションシステムなどの画面に警報情報を表示する、シートベルトやステアリングに振動を与えるなどしてユーザに警告を行う。
本実施形態では、車両の周囲、例えば前方又は後方を撮像システム500で撮像する。図25(b)に、車両前方(撮像範囲550)を撮像する場合の撮像システムを示した。車両情報取得装置520が、撮像システム500ないしは撮像装置510に指示を送る。このような構成により、測距の精度をより向上させることができる。
上記では、他の車両と衝突しないように制御する例を説明したが、他の車両に追従して自動運転する制御や、車線からはみ出さないように自動運転する制御などにも適用可能である。更に、撮像システムは、自車両等の車両に限らず、例えば、船舶、航空機あるいは産業用ロボットなどの移動体(移動装置)に適用することができる。加えて、移動体に限らず、高度道路交通システム(ITS)等、広く物体認識を利用する機器に適用することができる。
[変形実施形態]
本発明は、上記実施形態に限らず種々の変形が可能である。
例えば、いずれかの実施形態の一部の構成を他の実施形態に追加した例や、他の実施形態の一部の構成と置換した例も、本発明の実施形態である。
また、選択回路1301及びその制御信号は、図15や図20に示した構成例に限定されるものではなく、各実施形態において説明した効果と同様の効果を実現できる範囲で適宜修正や変更が可能である。
また、上記第6及び第7実施形態に示した撮像システムは、本発明の光電変換装置を適用しうる撮像システム例を示したものであり、本発明の光電変換装置を適用可能な撮像システムは図24及び図25に示した構成に限定されるものではない。
なお、上記実施形態は、いずれも本発明を実施するにあたっての具体化の例を示したものに過ぎず、これらによって本発明の技術的範囲が限定的に解釈されてはならないものである。すなわち、本発明はその技術思想、又はその主要な特徴から逸脱することなく、様々な形で実施することができる。