JP2022109556A - 撮像装置および撮像方法 - Google Patents
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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。
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。
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。
[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。
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。
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
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)
- 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。 - 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。 - 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。 - 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。 - 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。 - 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。 - 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。 - 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。 - 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。 - 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。 - 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。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2021004945A JP2022109556A (ja) | 2021-01-15 | 2021-01-15 | 撮像装置および撮像方法 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2021004945A JP2022109556A (ja) | 2021-01-15 | 2021-01-15 | 撮像装置および撮像方法 |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2022109556A true JP2022109556A (ja) | 2022-07-28 |
Family
ID=82560639
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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JP2021004945A Pending JP2022109556A (ja) | 2021-01-15 | 2021-01-15 | 撮像装置および撮像方法 |
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2021
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