JP2022109556A - 撮像装置および撮像方法 - Google Patents

Abstract

【課題】非破壊読み出しを利用した新規な撮像装置を提供する。【解決手段】撮像装置２０は、蓄積期間Ｔｅ内の第１期間Ｔｅ１に第１電圧Ｖ１を第１電極１０１Ａに供給し、蓄積期間Ｔｅ内の第２期間Ｔｅ２に第１電圧Ｖ１と異なる第２電圧Ｖ２を第１電極１０１Ａに供給し、複数の画素１０１のうち少なくとも一部の画素１０１は、電荷蓄積部２２に蓄積された前記信号電荷の量に対応する信号を、第１期間Ｔｅ１に非破壊で順次に出力し、複数の画素１０１は、電荷蓄積部２２に蓄積された信号電荷の量に対応する信号を、蓄積期間Ｔｅ後の非蓄積期間Ｔｒに順次に出力する。【選択図】図５

Description

本発明は、非破壊読み出しが可能な撮像装置および撮像方法に関する。

一般的に、撮像装置の画素信号の読み出しは、破壊読み出しで行われる。破壊読み出しは、画素に蓄積された信号電荷を空にするリセット動作を伴う。一方で、画素に蓄積された信号電荷をリセットせず、露光状態のまま信号電荷を読み出す、非破壊読み出しが知られている。非破壊読み出しを行うことで、露光中の画素情報を得ることができる。特許文献１には、非破壊読み出しを行うことで、高ダイナミックレンジ化を実現する撮像装置が開示されている。

特開２００７－１９４６８７号公報

非破壊読み出しを利用した新規な撮像装置および撮像方法を提供する。

上記課題を解決するために本開示の一態様に係る撮像装置は、非破壊読み出しが可能な複数の画素と、電圧供給回路と、を備え、前記複数の画素のそれぞれは、第１電極、第２電極、および、前記第１電極と前記第２電極との間に位置し、光電変換により信号電荷を生成する光電変換層を含む光電変換部と、前記第２電極に電気的に接続され、前記信号電荷を蓄積する電荷蓄積部と、を含み、前記信号電荷が生成され蓄積される期間である蓄積期間は、第１期間および第２期間を含み、前記電圧供給回路は、前記第１期間に第１電圧を前記第１電極に供給し、前記第２期間に前記第１電圧と異なる第２電圧を前記第１電極に供給し、前記複数の画素のうち少なくとも一部の画素は、前記電荷蓄積部に蓄積された前記信号電荷の量に対応する信号を、前記第１期間に非破壊で順次に出力し、前記複数の画素は、前記電荷蓄積部に蓄積された前記信号電荷の量に対応する信号を、前記蓄積期間後の非蓄積期間に順次に出力する。

本開示によれば、非破壊読み出しを利用した新規な撮像装置および撮像方法を提供できる。

図１は、第１の実施形態に係る撮像装置を含むカメラシステムの構成例を示すブロック図である。 図２は、第１の実施形態に係る撮像装置の構成例を示すブロック図である。 図３は、図２中の画素の構成例を示す回路図である。 図４は、図３中の光電変換部及びＦＤの構造を模式的に示す断面図である。 図５は、第１の実施形態に係る撮像装置における第１の撮像動作例に対応するタイミングチャートである。 図６は、第１の実施形態に係る撮像装置における第２の撮像動作例を示す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における第３の撮像動作例を示すタイミングチャートである。 図８は、第２の実施形態に係る撮像装置内の光電変換層の分光特性の一例を示す図である。 図９は、第２の実施形態に係る撮像装置における撮像動作例を示すタイミングチャートである。 図１０は、第３の実施形態に係る撮像装置における撮像動作例を示すタイミングチャートである。 図１１は、第３の実施形態に係る撮像装置における、撮像画像の例を示す図である。

まず、本開示の概要について説明する。

本開示の一態様に係る撮像装置は、非破壊読み出しが可能な複数の画素と、電圧供給回路と、を備え、前記複数の画素のそれぞれは、第１電極、第２電極、および、前記第１電極と前記第２電極との間に位置し、光電変換により信号電荷を生成する光電変換層を含む光電変換部と、前記第２電極に電気的に接続され、前記信号電荷を蓄積する電荷蓄積部と、を含み、前記信号電荷が生成され蓄積される期間である蓄積期間は、第１期間および第２期間を含み、前記電圧供給回路は、前記第１期間に第１電圧を前記第１電極に供給し、前記第２期間に前記第１電圧と異なる第２電圧を前記第１電極に供給し、前記複数の画素のうち少なくとも一部の画素は、前記電荷蓄積部に蓄積された前記信号電荷の量に対応する信号を、前記第１期間に非破壊で順次に出力し、前記複数の画素は、前記電荷蓄積部に蓄積された前記信号電荷の量に対応する信号を、前記蓄積期間後の非蓄積期間に順次に出力する。

これによれば、例えば、第１期間と第２期間とで画素の感度を異ならせることができる。本明細書において画素の感度とは、光電変換部の光電変換効率を意味し、複数の波長に対する感度、すなわち分光感度を含む概念である。

第１期間に非破壊で読み出された信号に基づく第１画像は、信号電荷を蓄積するための露光時間が短いため、非蓄積期間に読み出された信号に基づく第２画像と比べて、高輝度な被写体であっても飽和し難い。さらに、第１期間における画素の感度と第２期間における画素の感度とを互いに異ならせることにより、蓄積期間における画素の感度を一定とした場合に比べて、第１画像と第２画像との感度差をより大きくすることもできる。よって、例えば、第１画像と第２画像とを合成することにより、蓄積期間における画素の感度を一定とした場合に比べて、ダイナミックレンジをより拡大した画像を得ることができる。

また、蓄積期間における画素の感度を一定とした場合に比べて、第１画像と第２画像との感度差をより小さくすることもできる。これにより、被写体に応じて、第１画像と第２画像との感度差を広い範囲で調整することができる。

また、例えば、バイアス電圧によって光電変換部の分光感度特性が変化する場合、撮像された光の波長範囲が互いに異なる複数の画像を得ることができる。

例えば、前記第１期間は、前記第２期間よりも前であってもよい。

これによれば、非破壊で読み出される時点において蓄積されている信号電荷は、第２期間に生成され蓄積される信号電荷を含まない。よって、例えば、光電変換層への入射光が第２期間において飽和するほどの強度であっても、飽和する前の画像を非破壊読み出しによって得ることができる。

例えば、前記第１期間は、前記第２期間よりも後であってもよい。

これによれば、非破壊で読み出される時点において蓄積された信号電荷は、第２期間に生成され蓄積された信号電荷の全てを含む。よって、非破壊読み出しによる画像は、第２期間の全てを露光時間とする画像情報を含むことができる。

例えば、前記複数の画素のうちの少なくとも一部の画素は、前記電荷蓄積部に蓄積された前記信号電荷の量に対応する信号を、前記第２期間に非破壊で順次に出力してもよい。

これによれば、第１期間の非破壊読み出しによる第１画像に加えて、第２期間の非破壊読み出しによる第３画像も得ることができる。第３画像の露光量は、第１画像の露光量よりも多く、第２画像の露光量よりも少ない。一般的に、画像合成によってダイナミックレンジを拡大する場合には、互いに露光量が異なる複数の画像を用いる。第１画像および第２画像に加え第３画像を得ることにより、各被写体の光量に応じて十分な信号量を確保することができるため、合成画像の画質を向上できる。

例えば、前記第１電圧は、前記第２電圧よりも小さくてもよい。

これによれば、信号電荷が正孔である場合、例えば、第１期間における画素の感度を、第２期間における画素の感度よりも低くすることができる。また、信号電荷が電子である場合、例えば、第１期間における画素の感度を、第２期間における画素の感度よりも高くすることができる。

例えば、前記第１電圧は、前記第２電圧よりも大きくてもよい。

これによれば、信号電荷が正孔である場合、例えば、第１期間における画素の感度を、第２期間における画素の感度よりも高くすることができる。また、信号電荷が電子である場合、例えば、第１期間における画素の感度を、第２期間における画素の感度よりも低くすることができる。

例えば、前記蓄積期間は、第３期間をさらに含み、前記電圧供給回路は、前記第３期間に、前記第１電圧および前記第２電圧と異なる第３電圧を前記第１電極に供給してもよい。

これによれば、第１期間と第２期間と第３期間とで画素の感度を異ならせることができる。また、例えば、第２期間および第３期間の少なくとも一方の期間において非破壊で信号読み出しを行う場合には、画像合成に用いる画像の数を増やすことができる。これにより画像合成に使用する各画像の露光量をさらに細かく制御できる。また、バイアス電圧によって光電変換部の分光感度特性が変化する場合には、撮像された光の波長範囲が互いに異なる画像をさらに多く得ることができる。その結果、撮像される光の波長範囲をさらに細かく制御できる。

例えば、前記撮像装置は信号処理部をさらに備え、前記複数の画素は、行列状に配置されており、前記信号処理部は、前記第１期間に非破壊で出力された前記信号に対して、対応する画素が属する行に応じた係数を乗算する処理を行ってもよい。

非破壊読み出しが行単位で順次に行われる場合、露光の開始は全画素で同時であるのに対して読み出しタイミングは各画素が属する行によって異なる。そのため、露光時間の長さは、各画素が属する行によって異なる。そこで、得られた信号に対して各画素が属する行に応じた係数を乗算することにより、全画素について露光時間の長さが同じになるように補正することができる。

例えば、前記複数の画素のうち少なくとも一部の画素は、前記電荷蓄積部に蓄積された前記信号電荷の量に対応する信号を非破壊で順次に出力する動作を、前記第１期間に少なくとも２回行ってもよい。

これによれば、非破壊読み出しにより、露光時間の長さが互いに異なる２つの画像を得ることができる。また、得られた２つの画像の差分を取ることにより、全画素において露光時間の長さが揃った画像を得ることができる。さらに、得られた２つの画像の差分を取ることにより、ノイズを低減できる。

例えば、前記複数の画素のうちの一部の画素のみが、前記電荷蓄積部に蓄積された前記信号電荷の量に対応する信号を、前記第１期間に非破壊で順次に出力してもよい。

これによれば、非破壊読み出しに要する時間を短縮できる。

本開示の一態様に係る撮像方法は、光電変換により信号電荷を生成する光電変換部と、前記信号電荷を蓄積する電荷蓄積部とをそれぞれが含む複数の画素を用いた撮像方法であって、前記信号電荷が生成され蓄積される期間である蓄積期間は、第１期間および第２期間を含み、前記第１期間における前記複数の画素の感度を第１感度に設定し、前記第２期間における前記複数の画素の感度を前記第１感度と異なる第２感度に設定し、前記第１期間において、前記複数の画素のうちの少なくとも一部の画素から、前記電荷蓄積部に蓄積された前記信号電荷の量に対応する信号を非破壊で順次に読み出し、前記蓄積期間の後の非蓄積期間において、前記複数の画素から、前記電荷蓄積部に蓄積された信号電荷の量に対応する信号を順次に読み出す。

これによれば、第１感度で撮像された被写体像を含む第１画像と、第１感度で撮像された被写体像および第２感度で撮像された被写体像の両方を含む第２画像とを、１フレーム期間で得ることができる。また、蓄積期間における画素の感度を一定とした場合に比べて、第１画像と第２画像との感度差をより大きくすることもできる。よって、例えば、第１画像と第２画像とを合成することにより、蓄積期間における画素の感度を一定とした場合に比べて、ダイナミックレンジをより拡大した画像を得ることができる。

また、第１感度に対応する波長範囲と、第２感度に対応する波長範囲とが異なる場合には、撮像された光の波長範囲が互いに異なる複数の画像を得ることができる。

以下、図面を参照しながら、本開示の実施形態を詳細に説明する。なお、以下で説明する実施形態は、いずれも包括的または具体的な例を示す。以下の実施形態で示される数値、形状、材料、構成要素、構成要素の配置および接続形態、処理内容、処理の順序などは、一例であり、本開示を限定する主旨ではない。本明細書において説明される種々の態様は、矛盾が生じない限り互いに組み合わせることが可能である。また、以下の実施形態における構成要素のうち、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、任意の構成要素として説明される。以下の説明において、実質的に同じ機能を有する構成要素は共通の参照符号で示し、説明を省略することがある。

また、各図は、模式図であり、必ずしも厳密に図示されたものではない。したがって、例えば、各図において縮尺などは必ずしも一致しない。

（第１の実施形態）
［撮像装置の構成］
図１は、本実施形態に係る撮像装置を含むカメラシステムの構成例を示すブロック図である。図１において、カメラシステム１０は、光学系６０と、撮像装置２０と、信号処理部３０と、システムコントローラ４０と、表示部５０とを備えている。

光学系６０は、レンズ群を有し、カメラシステム１０の外部から入力される光を、撮像装置２０に集光する。レンズ群は、フォーカスレンズを含んでいてもよい。フォーカスレンズは、外部から入力される光の光軸方向に移動することで、撮像装置２０における被写体像の合焦位置を調整してもよい。

撮像装置２０は、光学系６０を介して入射される光を受光し、画素信号を出力する。撮像装置２０は、例えば、ＣＭＯＳ（Ｃｏｍｐｌｅｍｅｎｔａｒｙ Ｍｅｔａｌ Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）型イメージセンサであってもよい。撮像装置２０の詳細は後述する。

信号処理部３０は、撮像装置２０から入力される信号を処理する。信号処理部３０は、例えばガンマ補正、色補間処理、空間補間処理、オートホワイトバランス、距離計測演算及び波長情報分離などの処理を行う。信号処理部３０は、例えばＤＳＰ（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｓｉｇｎａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ）などによって実現され得る。

システムコントローラ４０は、カメラシステム１０全体を制御する。システムコントローラ４０は、例えば、マイクロコンピュータによって実現され得る。

表示部５０は、信号処理部３０により生成された画像を表示する。表示部５０は、例えば液晶ディスプレイまたは有機ＥＬディスプレイである。表示部５０は、タッチパネルのような入力インタフェースを備えていてもよい。これにより、ユーザは、タッチペンを用いて、信号処理部３０の処理内容の選択、制御および撮像条件を、入力インタフェースを介して設定できる。

図２は、第１の実施形態に係る撮像装置２０の構成例を示すブロック図である。同図では撮像装置２０がＣＭＯＳ型イメージセンサである場合における、撮像装置２０の回路構成例を示す。図２に示されるように、撮像装置２０は、複数の画素１０１と、垂直走査回路１０２と、水平走査回路１０３と、電流源１０４と、ＡＤ変換回路１０５と、電圧供給回路１１１とを含む。

複数の画素１０１は、行列状に配列される。複数の画素１０１のそれぞれは、入射光に応じた信号電荷を生成し、信号電荷の量に応じた画素信号を出力する。

垂直走査回路１０２は、行毎に設けられた水平信号線１０７を介して、複数の画素１０１を行単位で走査および駆動する。図２では、図を見易くするため、水平信号線１０７として行毎に１本のみを図示している。しかし、後述するように、例えば、画素１０１の選択トランジスタ２４およびリセットトランジスタ２５を制御するため、行毎に複数の水平信号線１０７を含み得る。

複数の画素１０１から出力された画素信号は、列毎に設けられた垂直信号線１０８およびＡＤ変換回路１０５を介して水平走査回路１０３に入力される。水平走査回路１０３は、入力された信号を出力信号線１０９に順次に出力する。

電流源１０４は、列毎に設けられ、画素１０１内の増幅トランジスタと共にソースフォロワ回路を構成する。

ＡＤ変換回路１０５は、垂直信号線１０８毎に設けられ、垂直信号線１０８から入力されるアナログの画素信号をデジタル信号に変換する。ＡＤ変換回路１０５は、相関二重サンプリングに代表される雑音抑圧信号処理を行う回路を含んでいてもよい。

電圧供給回路１１１は、複数の画素１０１に複数の異なる電圧を供給する。画素１０１に供給する電圧を変化させることにより、画素１０１の感度を変化させることができる。各画素１０１は、電源線１０６に接続されている。各画素１０１には、電源線１０６を介して電源電圧ＶＤＤが供給される。

なお、本実施形態に係る撮像装置２０は、ＡＤ変換回路１０５を設けずに、各画素１０１から出力された画素信号をアナログ信号のまま水平走査回路１０３から出力するように構成してもよい。また、水平走査回路１０３は、各画素１０１からの信号を加算または減算するための回路を備え、演算結果を出力信号線１０９に出力するようにしてもよい。

図３は、図２中の画素１０１の構成例を示す回路図である。図３に示されるように、画素１０１は、光電変換部２１と、フローティングディフュージョン（以下、「ＦＤ」と呼ぶ。）２２と、増幅トランジスタ２３と、選択トランジスタ２４と、リセットトランジスタ２５とを含む。光電変換部２１は、入射光を信号電荷に変換する。ＦＤ２２は、光電変換部２１で生成された信号電荷を蓄積する。ＦＤ２２は、電荷蓄積部の一例である。

増幅トランジスタ２３は、ＦＤ２２に接続されたゲートと、電源線１０６に接続され電源電圧ＶＤＤが供給されるドレインと、選択トランジスタ２４のドレインに接続されたソースとを有する。これにより、増幅トランジスタ２３は、選択トランジスタ２４が導通状態であるときに、図１に示した電流源１０４と共にソースフォロワ回路を形成する。このとき、増幅トランジスタ２３のソースは、ＦＤ２２に蓄積された信号電荷の量に応じた信号を、選択トランジスタ２４を介して垂直信号線１０８に出力する。

選択トランジスタ２４は、増幅トランジスタ２１３のソースに接続されたドレインと、垂直信号線１０８に接続されたソースと、水平信号線１０７のうちの選択制御信号線に接続されるゲートとを有する。選択トランジスタ２４のゲートには、選択制御信号線から選択制御信号Ｖｓｅｌが供給される。選択トランジスタ２４は、選択制御信号Ｖｓｅｌがハイレベルのとき導通状態になり、増幅トランジスタ２３からの画素信号を垂直信号線１０８に出力する。また、選択トランジスタ２４は、選択制御信号Ｖｓｅｌがローレベルのとき非導通状態になり、増幅トランジスタ２３と垂直信号線１０８とを絶縁する。

リセットトランジスタ２５は、リセット電圧ＶＲが供給されるドレインと、ＦＤ２２に接続されたソースと、水平信号線１０７のうちのリセット制御信号線に接続されるゲートを有する。リセットトランジスタ２５のゲートには、リセット制御信号線からリセット制御信号Ｖｒｓｔが供給される。リセットトランジスタ２５は、リセット制御信号Ｖｒｓｔがハイレベルのとき導通状態になり、ＦＤ２２の電位をリセット電圧ＶＲにリセットする。

画素１０１は、リセット動作を伴わずに非破壊的に画素信号を出力する。すなわち、画素１０１は、蓄積期間の途中で、蓄積された信号電荷をリセットすることなく、その時点で蓄積されている信号電荷の量に対応する画素信号を出力する。このような、リセット動作を伴わない読み出し動作は、非破壊読み出しと呼ばれる。非破壊読み出しは、１フレーム期間内に複数回行うこともできる。蓄積期間が経過した後、画素１０１は、蓄積期間の全期間で蓄積された信号電荷の量に対応する画素信号を出力する。その後、蓄積された信号電荷はリセット電圧ＶＲにリセットされ、画素１０１は、リセット電圧ＶＲに対応する信号を出力する。このような、リセット動作を伴う読み出し動作は、破壊読み出しと呼ばれる。本明細書において、蓄積期間とは、信号電荷が光電変換部２１で生成され電荷蓄積部に蓄積される期間を意味する。これに対して、非蓄積期間とは、実質的に、信号電荷が新たに電荷蓄積部に蓄積されない期間を意味する。典型的には、非蓄積期間において、画素１０１の感度は実質的にゼロに設定される。

図４は、図３中の光電変換部２１及びＦＤ２２の構造を模式的に示す断面図である。図４に示されるように、半導体基板１０１Ｄ上に、絶縁層１０１Ｆと光電変換部２１とが積層されている。

光電変換部２１は、対向電極１０１Ａと、画素電極１０１Ｂと、対向電極１０１Ａと画素電極１０１Ｂとの間に位置する光電変換層１０１Ｃとを含む。

対向電極１０１Ａは、複数の画素１０１に跨がって形成されていてもよい。対向電極１０１Ａは、例えば、ＩＴＯ（Ｉｎｄｉｕｍ Ｔｉｎ Ｏｘｉｄｅ）などの透明導電性酸化物（ＴＣＯ：Ｔｒａｎｓｐａｒｅｎｔ Ｃｏｎｄｕｃｔｉｎｇ Ｏｘｉｄｅ）を用いて形成される。

画素電極１０１Ｂは、光電変換層１０１Ｃで生成された信号電荷を収集する。画素電極１０１Ｂは、絶縁層１０１Ｆ内のコンタクトプラグ１０１Ｅを介して、半導体基板１０１Ｄ内に設けられたＦＤ２２に接続される。

光電変換層１０１Ｃは、入射する光を受けて正孔－電子対を発生させる。光電変換層１０１Ｃの材料としては、例えば、半導体性の無機材料、または、半導体性の有機材料などが用いられる。光電変換層１０１Ｃは、例えば、有機光電変換膜である。対向電極１０１Ａと画素電極１０１Ｂとの間に電圧が印加され電界がかかった状態において、光電変換層１０１Ｃ内で発生した正孔および電子の一方が、画素電極１０１Ｂによって集められ、電荷蓄積部ＦＤに蓄積される。

対向電極１０１Ａは、電圧供給回路１１１に電気的に接続される。電圧供給回路１１１は、半導体基板１１１Ｄ上に設けられる。電圧供給回路１１１は、半導体基板１０１Ｄとは別の基板に設けられてもよい。電圧供給回路１１１は、制御信号に基づいて、対向電極１０１Ａに感度調整電圧ＶＩＴＯを印加する。

ＦＤ２２は、例えば不純物を含む拡散層であり、画素電極１０１Ｂで収集された信号電荷を蓄積する。

対向電極１０１Ａに印加する感度調整電圧ＶＩＴＯを変化させることにより、光電変換部２１の感度を変化させることができる。例えば、信号電荷を正孔としたとき、画素電極１０１Ｂの電圧を基準として、感度調整電圧ＶＩＴＯを比較的高い正電圧とすることにより感度を高くできる。また、画素電極１０１Ｂの電位を基準として、感度調整電圧ＶＩＴＯを比較的低い正電圧とすることにより感度を低くできる。さらに、感度調整電圧ＶＩＴＯを所定の閾値よりも低い電圧とすることにより、光電変換部２１の感度を実質的にゼロとすることができる。以下、この閾値のことを露光閾値と呼ぶ。

感度調整電圧ＶＩＴＯを、露光閾値よりも大きい電圧と小さい電圧との間で切り替えることにより、蓄積期間を自由に設定することができる。これにより、撮像装置２０は、全画素で同時に露光を開始および終了するグローバルシャッタ機能を実現できる。グローバルシャッタ機能については、例えば、特許第６２０２５１２号公報に開示されている。特許第６２０２５１２号公報を本願明細書に援用する。

本実施形態において、対向電極１０１Ａは、第１電極を例示する。画素電極１０１Ｂは、第２電極を例示する。

再び図３に戻って、画素１０１の説明を続ける。リセット制御信号Ｖｒｓｔによってリセットトランジスタ２５をオン状態とすることにより、ＦＤ２２の電位は、リセット電位ＶＲにリセットされる。増幅トランジスタ２３は、ＦＤ２２に蓄積された電荷の量に対応する信号を出力する。選択制御信号Ｖｓｅｌによって選択トランジスタ２４のオン状態とオフ状態とを切り替えることにより、増幅トランジスタ２３から出力された信号を、垂直信号線１０８へ出力するか否かが選択される。

画素１０１は、リセットトランジスタ２５をオン状態にしない限り、電荷蓄積部に蓄積された信号電荷の量に対応する信号を、非破壊で繰り返し出力することができる。

以下、撮像装置２０が行う撮像動作の詳細について説明する。

［撮像装置の第１の撮像動作例］
図５は、第１の撮像動作例を示すタイミングチャートである。図５において、上から順に、垂直同期信号ＶＤのタイミング、感度調整電圧ＶＩＴＯの時間的変化、および、行列状に配置された複数の画素１０１の各行における信号読み出しのタイミングを示している。複数の画素１０１は、第１行目から第ｎ行目までｎ行配置されているとしている。感度調整電圧ＶＩＴＯは、対向電極１０１Ａに印加される電圧である。実線Ｒ０は、通常の信号読み出しが行われる行を模式的に示している。破線Ｒ１は、非破壊で信号読み出しが行われる行を模式的に示している。図５を用いて第１の撮像動作例を以下に説明する。

まず、時刻ｔ０において、感度調整電圧ＶＩＴＯがＶ０からＶ１に切り替わる。これにより、蓄積期間Ｔｅが開始される。蓄積期間Ｔｅは、第１期間Ｔｅ１と第２期間Ｔｅ２とを含む。第１期間Ｔｅ１において、感度調整電圧ＶＩＴＯはＶ１であり、複数の画素１０１の感度は第１感度に設定される。すなわち、第１期間Ｔｅ１において、複数の画素１０１は、第１感度で信号電荷を生成し蓄積する。

次に、時刻ｔ１において、複数の画素１０１に対して、行毎に順次に非破壊で信号読み出しが開始される。このとき、複数の画素１０１が出力する信号は、時刻ｔ０から信号読み出しが行われる時点までに電荷蓄積部に蓄積された信号電荷の量に対応する信号である。

次に、時刻ｔ２において、感度調整電圧ＶＩＴＯがＶ１からＶ２に切り替わる。ここで、Ｖ２はＶ１よりも高い電圧である。そのため、第２期間Ｔｅ２における複数の画素１０１の感度は、第１期間Ｔｅ１における感度よりも高い。したがって、第２期間Ｔｅにおいて、複数の画素１０１は、第１期間Ｔｅ１の第１感度よりも高い第２感度で信号電荷を生成し蓄積する。

次に、時刻ｔ３において、感度調整電圧ＶＩＴＯがＶ２からＶ０に切り替わる。これにより、蓄積期間Ｔｅが終了し、非蓄積期間Ｔｒが開始される。ここで、Ｖ０はＶ１よりも低い電圧であり、例えば０Ｖである。これにより、非蓄積期間Ｔｒにおいて、複数の画素１０１の感度は実質的にゼロに設定される。なお、非蓄積期間Ｔｒにおいて実質的に信号電荷が生成および蓄積されないようであれば、他の形態も取り得る。例えば、機械シャッタを別に設け、非蓄積期間Ｔｒに同期させて機械シャッタを閉じるようにしてもよい。

次に、垂直同期信号ＶＤが立ち上がる時刻ｔ４において、複数の画素１０１に対して、第１行目から第ｎ行目まで行毎に順次に信号読み出しが開始される。ここでの信号読み出しは破壊読み出しである。但し、非破壊読み出しであってもよい。

次に、時刻ｔ５において、感度調整電圧ＶＩＴＯがＶ０から再びＶ１に切り替わり、次の蓄積期間Ｔｅが開始される。以降は、上記した動作が繰り返される。

なお、上記した撮像動作例では、信号読み出しの動作において、行毎に順次に読み出すとした。しかし、各列に垂直信号線１０８を複数設け、複数行毎に順次に読み出すようにしてもよい。これにより、信号読み出しを高速に行うことができる。あるいは、複数行または複数列の画素１０１から同時にまとめて信号を読み出してもよい。このような読み出し方は画素合成とも呼ばれる。

また、上記した撮像動作例では、非破壊による信号読み出しは蓄積期間Ｔｅ中に行われる。そのため、蓄積期間Ｔｅが開始される時刻ｔ０から、非破壊による信号読み出しが行われる時刻までの期間の長さ（すなわち、露光時間）は、画素１０１が属する行によって異なる。そこで、行毎の露光時間の差を補正するために、得られた信号に対して、画素１０１が属する行に応じた補正係数を乗算してもよい。具体的には、例えば、各行の露光時間の逆数を乗算するようにしてもよい。

また、上記した撮像動作例において、非破壊での信号読み出しは、複数の画素１０１のうち少なくとも一部の画素１０１に対してのみ行うようにしてもよい。例えば、偶数行の画素１０１に対して順次に非破壊で信号読み出しを行い、奇数行の画素１０１に対しては信号読み出しを行わないようにしてもよい。また、ＲＧＢの各色を撮像するための画像１０１がベイヤ配列されている場合には、例えば、上から偶数番目の単位画素群に対応する行の画素１０１に対して順次に非破壊で信号読み出しを行い、上から奇数番目の単位画素群に対応する行の画素１０１に対しては信号読み出しを行わないようにしてもよい。あるいは、特定の領域の画素１０１に対してのみ信号読み出しを行いようにしてもよい。これにより、非破壊での信号読み出しを高速に行うことができ、行による露光時間の長さの差を低減できる。なお、一部の画素１０１に対してのみ非破壊での信号読み出しをすることによって得られる画像の解像度は、全ての画素に対して通常の信号読み出しによって得られる画像の解像度よりも低くなる。しかし、解像度が異なっていても、これらの画像を合成することは可能である。

本撮像動作例によれば、非破壊による信号読み出しＲ１によって、露光時間の短い画像が得られる。さらに、第１期間における画素１０１の感度は低く設定されている。したがって、短い露光時間に加え、低い感度で撮像されるため、高輝度な被写体であっても飽和することなく撮像することができる。また、本撮像動作例によれば、通常の信号読み出しＲ０によって露光時間の長い画像が得られる。さらに、第２期間における画素１０１の感度は、第１期間に比べて高く設定されている。したがって、長い露光時間に加え、高い感度で撮像されるため、低輝度な被写体でも黒潰れすることなく撮像することができる。よって、例えば、非破壊での信号読み出しによる画像と通常の信号読み出しによる画像とを合成することにより、ダイナミックレンジの広い画像を得ることができる。

［撮像装置の第２の撮像動作例］
図６は、第２の撮像動作例を示すタイミングチャートである。本撮像動作例は、第１期間Ｔｅ１において非破壊での信号読み出しを少なくとも２回行う点で、第１の撮像動作例と異なる。以下、異なる点を中心に説明する。

図６において、破線Ｒ２は、破線Ｒ１と同様、非破壊での信号読み出しが行われる行を模式的に示している。本撮像動作例では、複数の画素１０１は、非破壊での信号読み出しを第１期間Ｔｅ１に続けて２回行う。これにより、露光時間が異なる複数の画像を得ることができる。

また、第１期間Ｔｅ１に非破壊読み出しで得られた２つの信号の差分を取ってもよい。具体的には、信号処理部３０またはＡＤ変換回路１０５は、非破壊での信号読み出しＲ２で得られた信号と、非破壊での信号読み出しＲ１で得られた信号との差分を取ってもよい。これにより、画素１０１が属する行によらず、複数の画素１０１の露光時間を等しくすることができる。よって、上記した画素１０１が属する行に応じた補正が不要となる。さらに、差分を取ることにより、固定パターンノイズも除去できる。よって、ノイズを低減した高品質の画像を得ることができる。また、第１の撮像動作例と同様、例えば、２回の非破壊読み出しで得られた信号の差分に対応する画像と、通常の信号読み出しで得られた信号に対応する画像とを合成することにより、ダイナミックレンジの広い画像を得ることができる。

なお、本撮像動作例では、第１期間Ｔｅにおいて、非破壊での信号読み出しを２回行ったが、３回以上行ってもよい。また、これらの非破壊読み出しによる信号同士の差分を取ることにより、非破壊読み出しによる複数の画像を取得してもよい。

［撮像装置の第３の撮像動作例］
図７は、第３の撮像動作例を示すタイミングチャートである。本撮像動作例は、蓄積期間Ｔｅが、第１期間Ｔｅ１および第２期間Ｔｅ２に加え第３期間Ｔｅ３を含む点で、第１の撮像動作例と異なる。また、本撮像動作例は、第２期間Ｔｅ２および第３期間Ｔｅ３においても非破壊による信号読み出しを行う点で、第１の撮像動作例と異なる。以下、異なる点を中心に説明する。

図７において、蓄積期間Ｔｅは、第３期間Ｔｅ３をさらに含む。また、第３期間Ｔｅ３において、感度調整電圧ＶＩＴＯはＶ３に設定される。ここで、Ｖ３はＶ２よりも高い電圧である。そのため、第３期間Ｔｅ３における複数の画素１０１の感度は、第２期間Ｔｅ２における感度よりも高い。したがって、第３期間Ｔｅにおいて、複数の画素１０１は、第２期間Ｔｅ２の第２感度よりも高い第３の感度で信号電荷を生成し蓄積する。

また、第２期間Ｔｅにおいて、複数の画素１０１に対して、行毎に順次に非破壊で信号読み出しＲ２が行われる。このとき、複数の画素１０１が出力する信号は、時刻ｔ０から信号読み出しが行われる時点までに電荷蓄積部に蓄積された信号電荷の量に対応する信号である。同様に、第３期間Ｔｅにおいて、複数の画素１０１に対して、行毎に順次に非破壊で信号読み出しＲ３が行われる。このとき、複数の画素１０１が出力する信号は、時刻ｔ０から信号読み出しが行われる時点までに電荷蓄積部に蓄積された信号電荷の量に対応する信号である。

本撮像動作例によれば、非破壊での信号読み出しＲ１による画像に加え、非破壊での信号読み出しＲ２による画像、および、非破壊での信号読み出しＲ３による画像を得ることができる。これらの画像は、露光時間に加え感度が異なる。よって、これらの画像と通常の信号読み出しＲ０による画像とを合成することにより、ダイナミックレンジの広い画像を得ることができる。また、合成に使用する画像の数を増やすことで、各被写体の光量に応じて十分な信号量を確保することができるため、合成画像の画質を向上できる。

なお、非破壊での信号読み出しＲ１、Ｒ２、Ｒ３のそれぞれについて、画素１０１が属する行毎の露光時間の差を補正するために、画素１０１が属する行に応じて演算処理を行ってもよい。

また、本撮像動作例においても、第２の撮像動作例と同様、第１期間Ｔｅ１、第２期間Ｔｅ２、および第３期Ｔｅ３のそれぞれにおいて、非破壊により信号読み出しを２回行い、これらの差分を取ってもよい。また、差分に基づく画像を用いて画像合成を行ってもよい。

（第２の実施形態）
本実施形態に係る撮像装置は、光電変換層１０１Ｃを除いて、第１の実施形態に係る撮像装置２０と同じである。以下、異なる点を中心に説明する。

本実施形態に係る光電変換層１０１Ｃは、互いに分光感度特性が異なる第１光電変換層および第２光電変換層を含む。第１光電変換層は、第１のバイアス電圧より大きいバイアス電圧が印加されたとき、可視光の波長範囲に感度を有する。第２光電変換層は、第２のバイアス電圧よりも大きいバイアス電圧が印加させたとき、赤外光の波長範囲に感度を有する。ここで、第２のバイアス電圧は、第１のバイアス電圧よりも大きいとする。このとき、第１のバイアス電圧より大きく、第２のバイアス電圧よりも小さいバイアス電圧が印加された場合には、光電変換層１０１Ｃは可視光の波長範囲に感度を有する。また、第２のバイアス電圧よりも大きいバイアス電圧が印加された場合には、光電変換層１０１Ｃは可視光および赤外光の波長範囲に感度を有する。

図８は、光電変換層１０１Ｃの分光感度特性の一例を示す図である。図８の（ａ）および（ｂ）において横軸は波長を示し、縦軸は吸収スペクトルの強度を示す。図８の（ａ）は、対向電極１０１Ａと画素電極１０１Ｂの間のバイアス電圧が第１のバイアスよりも大きく、第２のバイアス電圧よりも小さい場合の光電変換層１０１Ｃの分光感度特性の一例である。図８の（ｂ）は、対向電極１０１Ａと画素電極１０１Ｂの間のバイアス電圧が第２のバイアス電圧よりも大きい場合の光電変換層１０１Ｃの分光感度特性の一例である。バイアス電圧によって分光感度特性を変化させる技術は、国際公開公報ＷＯ２０１８／０２５５４４に詳細に開示されている。本国際公開公報を本願明細書に援用する。

次に、第２の実施形態に係る撮像装置における撮像動作例について説明する。

図９は、本実施形態に係る撮像装置における撮像動作例を示すタイミングチャートである。

本実施形態の撮像動作例では、光電変換部２１が感度を有する波長範囲を、第１期間Ｔｅ１と第２期間Ｔｅ２との間で異ならせている。具体的には、第１期間Ｔｅ１において、上記した第１のバイアス電圧よりも大きく、第２のバイアス電圧よりも小さいバイアス電圧が光電変換層１０１Ｃに印加されるように、感度調整電圧ＶＩＴＯをＶ１に設定する。このとき、複数の画素１０１は、可視光の波長範囲に感度を有する。すなわち、第１期間Ｔｅ１において、複数の画素１０１は、可視光の波長範囲の光を吸収して信号電荷を生成し蓄積する。また、第１期間Ｔｅ１において、複数の画素１０１に対して、行毎に順次に非破壊で信号読み出しを行う。このとき、複数の画素１０１が出力する信号は、蓄積期間Ｔｅの開始時点から信号読み出しが行われる時点までに電荷蓄積部に蓄積された信号電荷の量に対応する信号である。よって、この信号は、可視光の波長範囲の光に対応する信号である。

次に、第２期間Ｔｅ２において、上記した第２のバイアス電圧よりも大きいバイアス電圧が光電変換層１０１Ｃに印加されるように、感度調整電圧ＶＩＴＯをＶ２に設定する。このとき、複数の画素１０１は、可視光および赤外光の波長範囲に感度を有する。すなわち、第２期間Ｔｅ２において、複数の画素１０１は、可視光および赤外光の波長範囲の光を吸収して信号電荷を生成し蓄積する。

次に、非蓄積期間Ｔｒにおいて、複数の画素１０１に対して、行毎に順次に通常の信号読み出しを行う。このとき、複数の画素１０１が出力する信号は、蓄積期間Ｔｅに生成され蓄積された信号電荷の量に対応する信号である。よって、この信号は、可視光および赤外光の波長範囲の光に対応する信号である。

本実施形態によれば、非破壊による信号読み出しＲ１によって、可視光の波長範囲の光を撮像した画像が得られる。また、通常の信号読み出しＲ０によって、可視光および赤外光の波長範囲の光を撮像した画像が得られる。すなわち、１フレーム期間において、撮像された光の波長範囲が互いに異なる複数の画像を取得することができる。

（第３の実施形態）
本実施形態に係る撮像装置は、第１の実施形態に係る撮像装置２０と同じである。但し、感度調整電圧ＶＩＴＯおよび非破壊による信号読み出しのタイミングが第１の実施形態と異なる。以下、異なる点を中心に説明する。

図１０は、本実施形態に係る撮像装置における撮像動作例を示すタイミングチャートである。本実施形態の撮像動作例では、第２期間Ｔｅ２において感度調整電圧ＶＩＴＯはＶ２に設定され、第１期間Ｔｅ１において感度調整電圧ＶＩＴＯはＶ２よりも小さいＶ１に設定される。また、非破壊による信号読み出しは第１期間に行われる。このように、本実施形態では、非破壊による信号読み出しを行う第１期間Ｔｅ１を、第２期間Ｔｅ２の後にしている点で第１の実施形態と異なる。

本実施形態によれば、例えば、運動している被写体を撮像した場合において、ブレの小さい被写体像と、移動軌跡が付与された躍動感のある被写体像とを取得することができる。具体的には、非破壊による信号読み出しＲ１によって得られる信号は、第２期間Ｔｅ２の開始時点から信号読み出しが行われる時点までに生成し蓄積された信号電荷の量に対応する。ここで、第１期間Ｔｅ１における複数の画素１０１の感度は低く設定されているため、第１期間Ｔｅ１において生成し蓄積された信号電荷の影響は小さい。よって、非破壊による信号読み出しＲ１によって得られる信号は、主として第２期間Ｔｅ２において蓄積された信号電荷の量に対応する。したがって、第２期間Ｔｅ２の長さを比較的短く設定することにより、非破壊による信号読み出しＲ１によってブレの少ない被写体像を得ることができる。

一方、通常の信号読み出しＲ０によって得られる信号は、第２期間Ｔｅ２および第１期Ｔｅ２において生成し蓄積された信号電荷の量に対応する。よって、通常の信号読み出しＲ０によって、第２期間Ｔｅ２に対応するブレの少ない被写体像と、第１期間Ｔｅ１に対応する比較的ブレの大きい被写体像とを含む画像が得られる。なお、第１期間Ｔｅ１における複数の画素１０１の感度は、第２期間Ｔｅ２における感度よりも小さく設定されているためブレの大きい被写体像は輝度が小さい。これにより、移動軌跡が付与された躍動感のある被写体像が得られる。

図１１は、本実施形態に係る撮像装置によって撮像された画像の例を示す図である。図１１の（ａ）は、非破壊での信号読み出しＲ１で得られる画像ｄ１を示す。図１１の（ｂ）は、通常の信号読み出しＲ０で得られる画像ｄ２を示す。画像ｄ１は、移動体のブレが小さい被写体像を含む。画像ｄ２は、ブレが小さい被写体像に加え、輝度の小さい移動軌跡が付与された躍動感のある被写体像を含む。このように、本実施形態によれば、例えば、運動している被写体を撮像した場合において、ブレの小さい被写体像と、移動軌跡が付与された躍動感のある被写体像とを取得することができる。

なお、第２期間Ｔｅ２の長さは、第１期間Ｔｅ１の長さよりも長くしてもよい。また、第２期間Ｔｅ２における感度調整電圧ＶＩＴＯは、第１期間Ｔｅ１における感度調整電圧ＶＩＴＯよりも小さくしてもよい。これらの各変形例によっても、異なる感度で撮像された被写体像を含む複数の画像を得ることができる。

本開示に係る撮像装置は、種々の撮像装置として有用である。またデジタルカメラ、デジタルビデオカメラ、カメラ付携帯電話、電子内視鏡などの医療用カメラ、車載カメラ、ロボット用カメラ等の用途にも応用できる。

１０ カメラシステム
２０ 撮像装置
２２ ＦＤ
２３ 増幅トランジスタ
２４ 選択トランジスタ
２５ リセットトランジスタ
３０ 信号処理部
４０ システムコントローラ
５０ 表示部
６０ 光学系
１０１ 画素
１０２ 垂直走査回路
１０１Ａ 対向電極
１０１Ｂ 画素電極
１０１Ｃ 光電変換層
１０１Ｄ 半導体基板
１０１Ｅ コンタクトプラグ
１０３ 水平走査回路
１０４ 電流源
１０５ ＡＤ変換回路
１０６ 電源線
１０７ 水平信号線
１０８ 垂直信号線
１０９ 出力信号線

Claims (11)

1. 非破壊読み出しが可能な複数の画素と、
   電圧供給回路と、
   を備え、
   前記複数の画素のそれぞれは、
   第１電極、第２電極、および、前記第１電極と前記第２電極との間に位置し、光電変換により信号電荷を生成する光電変換層を含む光電変換部と、
   前記第２電極に電気的に接続され、前記信号電荷を蓄積する電荷蓄積部と、
   を含み、
   前記信号電荷が生成され蓄積される期間である蓄積期間は、第１期間および第２期間を含み、
   前記電圧供給回路は、前記第１期間に第１電圧を前記第１電極に供給し、前記第２期間に前記第１電圧と異なる第２電圧を前記第１電極に供給し、
   前記複数の画素のうち少なくとも一部の画素は、前記電荷蓄積部に蓄積された前記信号電荷の量に対応する信号を、前記第１期間に非破壊で順次に出力し、
   前記複数の画素は、前記電荷蓄積部に蓄積された前記信号電荷の量に対応する信号を、前記蓄積期間後の非蓄積期間に順次に出力する、
   撮像装置。
2. 前記第１期間は、前記第２期間よりも前である、
   請求項１に記載の撮像装置。
3. 前記第１期間は、前記第２期間よりも後である、
   請求項１に記載の撮像装置。
4. 前記複数の画素のうちの少なくとも一部の画素は、前記電荷蓄積部に蓄積された前記信号電荷の量に対応する信号を、前記第２期間に非破壊で順次に出力する、
   請求項１から３のいずれか１項に記載の撮像装置。
5. 前記第１電圧は、前記第２電圧よりも小さい、
   請求項１から４のいずれか一項に記載の撮像装置。
6. 前記第１電圧は、前記第２電圧よりも大きい、
   請求項１から４のいずれか一項に記載の撮像装置。
7. 前記蓄積期間は、第３期間をさらに含み、
   前記電圧供給回路は、前記第３期間に、前記第１電圧および前記第２電圧と異なる第３電圧を前記第１電極に供給する、
   請求項１から６のいずれか１項に記載の撮像装置。
8. 信号処理部をさらに備え、
   前記複数の画素は、行列状に配置されており、
   前記信号処理部は、前記第１期間に非破壊で出力された前記信号に対して、対応する画素が属する行に応じた係数を乗算する処理を行う、
   請求項１から７のいずれか１項に記載の撮像装置。
9. 前記複数の画素のうち少なくとも一部の画素は、前記電荷蓄積部に蓄積された前記信号電荷の量に対応する信号を非破壊で順次に出力する動作を、前記第１期間に少なくとも２回行う、
   請求項１から８のいずれか１項に記載の撮像装置。
10. 前記複数の画素のうちの一部の画素のみが、前記電荷蓄積部に蓄積された前記信号電荷の量に対応する信号を、前記第１期間に非破壊で順次に出力する、
    請求項１から９のいずれか１項に記載の撮像装置。
11. 光電変換により信号電荷を生成する光電変換部と、前記信号電荷を蓄積する電荷蓄積部とをそれぞれが含む複数の画素を用いた撮像方法であって、
    前記信号電荷が生成され蓄積される期間である蓄積期間は、第１期間および第２期間を含み、
    前記第１期間における前記複数の画素の感度を第１感度に設定し、
    前記第２期間における前記複数の画素の感度を前記第１感度と異なる第２感度に設定し、
    前記第１期間において、前記複数の画素のうちの少なくとも一部の画素から、前記電荷蓄積部に蓄積された前記信号電荷の量に対応する信号を非破壊で順次に読み出し、
    前記蓄積期間の後の非蓄積期間において、前記複数の画素から、前記電荷蓄積部に蓄積された信号電荷の量に対応する信号を順次に読み出す、
    撮像方法。

Images