JP6969539B2 - 固体撮像素子、固体撮像素子の駆動方法、及び、電子機器 - Google Patents
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Description
(1)時分割方式:蓄積時間の違いによる異なる感度で時分割で撮影し、時分割に撮影した複数の画像を合成し、ダイナミックレンジを拡大する(例えば、特許文献1参照)。
(2)空間分割方式:感度が異なる画素を複数設け、これら感度が異なる複数の画素でそれぞれ撮影した複数の画像を合成し、ダイナミックレンジを拡大する(例えば、特許文献2参照)。
(3)画素内メモリ追加方式:各画素内に光電変換部から溢れた電荷を蓄積するメモリを設け、1回の露光期間に蓄積できる電荷量を増やすことによってダイナミックレンジを拡大する(例えば、特許文献3参照)。
(1)特許文献1に記載の時分割方式:時分割の分割数を増やすことによってダイナミックレンジを拡大することができる一方、分割数が増えるとアーチファクトが生じる。
(2)特許文献2に記載の空間分割方式:空間分割の分割数を増やすことによってダイナミックレンジを拡大することができる一方、分割数が増えると解像度の低下等による画質の劣化が発生する。
(3)特許文献3に記載の画素内メモリ追加方式:メモリの容量が限られるため、拡大できるダイナミックレンジに限界がある。
複数の光電変換部を含む単位画素が複数配置されて成る画素アレイ部、及び、
複数の光電変換部の信号電荷の蓄積に関して間欠駆動することによって複数の光電変換部の感度比を変える駆動部、
を備え、
複数の光電変換部は、第1の光電変換部及び第2の光電変換部から成り、
単位画素は、電荷電圧変換部、第1の光電変換部で光電変換された電荷を電荷電圧変換部に転送する第1の転送ゲート部、第2の光電変換部で光電変換された電荷を電荷電圧変換部に転送する第2の転送ゲート部、及び、第2の光電変換部で光電変換された電荷を第1の光電変換部へ排出する排出する排出ゲート部を有する。また、上記の目的を達成するための本開示の電子機器は、上記の構成の固体撮像素子を撮像部として有する。
複数の光電変換部を含む単位画素が複数配置されて成る画素アレイ部を備え、
複数の光電変換部は、第1の光電変換部及び第2の光電変換部から成り、
単位画素は、電荷電圧変換部、第1の光電変換部で光電変換された電荷を電荷電圧変換部に転送する第1の転送ゲート部、第2の光電変換部で光電変換された電荷を電荷電圧変換部に転送する第2の転送ゲート部、及び、第2の光電変換部で光電変換された電荷を第1の光電変換部へ排出する排出する排出ゲート部を有する、
固体撮像素子の駆動に当たって、
複数の光電変換部の信号電荷の蓄積に関して間欠駆動し、かつ、第2の光電変換部で光電変換された電荷を第1の光電変換部で光電変換された電荷に加算することによって複数の光電変換部の感度比を変える。
1.本開示の固体撮像素子、その駆動方法、及び、電子機器、全般に関する説明
2.本開示の技術が適用される固体撮像素子
2−1.基本的なシステム構成
2−2.他のシステム構成
3.ノイズ除去処理に関する説明
3−1.ノイズ除去処理の処理例1
3−2.ノイズ除去処理の処理例2
4.本開示の技術術が適用される固体撮像素子の使用例
5.第1実施形態(第2のフォトダイオードの信号電荷の排出先が電源VDDの例)
5−1.単位画素の回路構成
5−2.単位画素の回路動作
5−3.ダイナミックレンジの拡大方法
6.第2実施形態(第2のフォトダイオードの信号電荷の排出先が第1のフォトダイオードの例)
6−1.単位画素の回路構成
6−2.単位画素の回路動作
6−3.第2実施形態の変形例1
6−4.第2実施形態の変形例2
7.第3実施形態(FD切替えトランジスタを第1のフォトダイオード側の転送トランジスタとリセットトランジスタとの間に配置する例)
7−1.単位画素の回路構成
7−2.高変換効率モードの回路動作
7−3.低変換効率モードの回路動作
8.第4実施形態(FD切替えトランジスタを第2のフォトダイオード側の転送トランジスタとリセットトランジスタとの間に配置する例)
8−1.単位画素の回路構成
8−2.単位画素の回路動作
9.第5実施形態(第2実施形態、第3実施形態、及び、第4実施形態を合体した例)
9−1.単位画素の回路構成
9−2.単位画素の回路動作
9−3.画素信号の演算処理
10.第6実施形態(フォトダイオードの感度を適応的に制御する例)
10−1.制御系の構成
10−2.制御系の処理の流れ
11.第1実施形態乃至第6実施形態の作用、効果
12.第1実施形態乃至第6実施形態の変形例
13.本開示の電子機器(撮像装置の例)
14.第7実施形態(単位画素の露光時間を画素毎に調整する機構を備える例)
14−1.システム構成
14−2.単位画素の内部構成
14−3.システムの立体構成
14−4.単位画素の平面レイアウト
14−5.1つの露光期間内のある時点での被写体対輝度評価
14−6.画素データの分析及び撮像条件の制御
14−7.露光時間の制御フロー
14−7−1.デューティ比=100%で露光を続ける場合
14−7−2.デューティ比=50%で露光を続ける場合
14−7−3.デューティ比=25%で露光を続ける場合
14−7−4.露光動作によって得られる第1、第2の光電変換部の出力について
14−8.第7実施形態の変形例1(1つの画素制御ユニット及び画素信号処理ユニットが、複数個の単位画素の制御と信号処理とを担う例)
14−9.第7実施形態の変形例2(単位画素が光電変換部を1個有する例)
14−10.第7実施形態の変形例3(被写体輝度に応じて、画素毎に電荷蓄積部の容量の大きさを変える例)
14−11.第7実施形態の変形例4(露光時間制御と電荷蓄積部の容量制御の双方を備える例)
15.本開示の構成
本開示の固体撮像素子、その駆動方法、及び、電子機器にあっては、複数の光電変換部について、第1の光電変換部及び第2の光電変換部から成る構成とすることができる。また、単位画素について、電荷電圧変換部、第1の光電変換部で光電変換された電荷を電荷電圧変換部に転送する第1の転送ゲート部、第2の光電変換部で光電変換された電荷を電荷電圧変換部に転送する第2の転送ゲート部、及び、第2の光電変換部で光電変換された電荷を排出する排出ゲート部を有する構成とすることができる。
光電変換部を含む単位画素が複数配置されて成る画素アレイ部、
光電変換部の信号電荷の蓄積に関して間欠駆動する駆動部、及び、
光電変換部から得られる信号レベルを基に、当該光電変換部の露光時間を制御する制御系、
を備える構成とすることができる。
[基本的なシステム構成]
図1は、本開示の技術が適用される固体撮像素子、例えばX−Yアドレス方式固体撮像素子の一種であるCMOSイメージセンサの構成の概略を示すシステム構成図である。ここで、CMOSイメージセンサとは、CMOSプロセスを応用して、または、部分的に使用して作成されたイメージセンサである。
本開示の技術が適用されるCMOSイメージセンサ10としては、上述したシステム構成のものに限られるものではない。他のシステム構成として、以下のようなシステム構成のものを挙げることができる。
上述したCMOSイメージセンサ10(10A,10B)において、単位画素20からは、低感度データ信号SL、低感度リセット信号NL、高感度リセット信号NH、及び、高感度データ信号SHの順に、垂直信号線17に対して各信号が出力される。あるいは又、単位画素20からは、高感度リセット信号NH、高感度データ信号SH、低感度データ信号SL、及び、低感度リセット信号NLの順に、垂直信号線17に対して各信号が出力される。
まず、カラム処理部13は、低感度データ信号SLと低感度リセット信号NLとの差分をとることにより、低感度差分信号SNLを生成する。従って、低感度差分信号SNL=低感度データ信号SL−低感度リセット信号NLとなる。次に、カラム処理部13は、高感度データ信号SHと高感度リセット信号NHとの差分をとることにより、高感度差分信号SNHを生成する。従って、高感度差分信号SNH=高感度データ信号SH−高感度リセット信号NHとなる。
ノイズ除去処理の処理例2では、前のフレームの情報を用いるために、記憶手段、例えば、フレームメモリが必要になる。従って、処理例2の演算処理は、例えば、信号処理部18において、データ格納部19を記憶手段として用いたり、外部のDSP回路において、フレームメモリを用いたりして行うことになる。
次に、本開示の技術が適用されるCMOSイメージセンサの使用例について説明する。図4は、上記構成の本開示の技術が適用されるCMOSイメージセンサの使用例を示す図である。
・デジタルカメラや、カメラ機能付きの携帯機器等の、鑑賞の用途に供される画像を撮影する装置
・自動停止等の安全運転や、運転者の状態の認識等のために、自動車の前方や後方、周囲、車内等を撮影する車載用センサ、走行車両や道路を監視する監視カメラ、車両間等の測距を行う測距センサ等の、交通の分野で用いる装置
・ユーザのジェスチャを撮影して、そのジェスチャに従った機器操作を行うために、テレビジョン受像機、冷蔵庫、エアーコンディショナ等の家電の分野で用いる装置
・内視鏡や、赤外光の受光による血管撮影を行う装置等の、医療やヘルスケアの分野で用いる装置
・防犯用途の監視カメラや、人物認証用途のカメラ等の、セキュリティの分野で用いる装置
・肌を撮影する肌測定器や、頭皮を撮影するマイクロスコープ等の、美容の分野で用いる装置
・スポーツ用途等向けのアクションカメラやウェアラブルカメラ等の、スポーツの分野で用いる装置
・畑や作物の状態を監視するためのカメラ等の、農業の分野で用いる装置
第1実施形態は、固体撮像素子及びその駆動方法に関し、より具体的には、単位画素20の回路構成及び垂直駆動部12の駆動タイミングの基本形に関する。図5〜図9を用いて、本開示の第1実施形態に係る固体撮像素子及びその駆動方法について説明する。第1実施形態に係る単位画素20の回路構成を図5に示し、第1実施形態に係る単位画素20の平面レイアウトを図6に示す。
第1実施形態に係る単位画素20は、複数の光電変換部として、例えば、第1のフォトダイオードPD1及び第2のフォトダイオードPD2の2つのフォトダイオードを有する。単位画素20は、第1のフォトダイオードPD1及び第2のフォトダイオードPD2に加えて、転送トランジスタ(転送ゲート部)21、転送トランジスタ22、シャッタートランジスタ(排出ゲート部)23、リセットトランジスタ24、増幅トランジスタ25、及び、選択トランジスタ26を有する構成となっている。
次に、上記の構成の第1実施形態に係る単位画素20の回路動作について、図7のタイミング波形図を用いて説明する。図7には、垂直駆動部12から出力される、選択信号SEL、リセット信号RST、転送信号TG1、転送信号TG2、及び、シャッター信号SHGの各波形を示している。
次に、第1実施形態に係る単位画素20において、上述した回路動作によって読み出した信号電荷を用いて、ダイナミックレンジを拡大する方法について、図9を用いて説明する。
第2のフォトダイオードPD2の電荷の排出先を、第1実施形態では、高電位側電源VDDとしているのに対し、第2実施形態では、第1のフォトダイオードPD1としている。図11〜図13を用いて、本開示の第2実施形態に係る固体撮像素子及びその駆動方法について説明する。図11は、第2実施形態に係る単位画素20の回路構成を示す回路図である。
第2実施形態に係る単位画素20の構成素子は、第1実施形態に係る単位画素20の構成素子と同じである。すなわち、第2実施形態に係る単位画素20は、第1のフォトダイオードPD1及び第2のフォトダイオードPD2に加えて、転送トランジスタ21、転送トランジスタ22、シャッタートランジスタ23、リセットトランジスタ24、増幅トランジスタ25、及び、選択トランジスタ26を有する構成となっている。
次に、上記の構成の第2実施形態に係る単位画素20の回路動作について、図13のポテンシャル図を用いて説明する。
図14は、第2実施形態の変形例1に係る単位画素20の回路動作の説明に供するポテンシャル図である。図14の最上部には、転送トランジスタ22−第2のフォトダイオードPD2−シャッタートランジスタ23−第1のフォトダイオードPD1−転送トランジスタ21の断面構造を示している。
図15は、第2実施形態の変形例2に係る単位画素の回路構成を示す回路図である。また、変形例2に係る単位画素20の回路動作の説明に供するポテンシャル図を図16に示す。図16の最上部には、転送トランジスタ22−第2のフォトダイオードPD2−シャッタートランジスタ23−第1のフォトダイオードPD1−転送トランジスタ21の断面構造を示している。
第3実施形態は、第2実施形態に係る単位画素20において、第1のフォトダイオードPD1側の転送トランジスタ21とリセットトランジスタ24との間に、第1の切換ゲート部としてFD切替えトランジスタ281を配置した例である。第3実施形態に係る単位画素20の回路構成を図17に示す。
図17に示すように、転送トランジスタ21とリセットトランジスタ24との間にFD切替えトランジスタ281を配置することにより、第2実施形態に係る単位画素20でフローティングディフュージョンFDとしている部分が2つに分割されたことと等価となる。この2つに分割された部分のうち、転送トランジスタ21と増幅トランジスタ25とFD切替えトランジスタ281とによって囲まれる第1領域をフローティングディフュージョンFD11とし、FD切替えトランジスタ281とリセットトランジスタ24と転送トランジスタ22とによって囲まれる第2領域をフローティングディフュージョンFD12とする。FD切替えトランジスタ281のゲート電極には、高レベルがアクティブとなるスイッチ信号SW1が垂直駆動部12(図1参照)から与えられる。
第3実施形態に係る単位画素20における高変換効率モードの回路動作について、図19のタイミング波形図を用いて説明する。図19には、垂直駆動部12から出力される、選択信号SEL、スイッチ信号SW1、リセット信号RST、転送信号TG1、転送信号TG2、及び、シャッター信号SHGの各波形を示している。
続いて、第3実施形態に係る単位画素20における低変換効率モードの回路動作について、図20のタイミング波形図を用いて説明する。図20には、図19と同様に、垂直駆動部12から出力される、選択信号SEL、スイッチ信号SW1、リセット信号RST、転送信号TG1、転送信号TG2、及び、シャッター信号SHGの各波形を示している。
第4実施形態は、第3実施形態の変形例である。第3実施形態は、FD切替えトランジスタ281を第1の切換ゲート部として、第1のフォトダイオードPD1側の転送トランジスタ21とリセットトランジスタ24との間に、配置する例である。これに対して、第4実施形態では、FD切替えトランジスタ282を第2の切換ゲート部として、第2のフォトダイオードPD2側の転送トランジスタ22とリセットトランジスタ24との間に配置する例である。第4実施形態に係る単位画素20の回路構成を図21に示す。
図21に示すように、転送トランジスタ22とリセットトランジスタ24との間にFD切替えトランジスタ282を配置することにより、第2実施形態に係る単位画素20でフローティングディフュージョンFDとしている部分が2つに分割されたことと等価となる。この2つに分割された部分のうち、転送トランジスタ21と増幅トランジスタ25とFD切替えトランジスタ282とによって囲まれる第1領域をフローティングディフュージョンFD21とし、転送トランジスタ22とFD切替えトランジスタ282との間に位置する第2領域をフローティングディフュージョンFD22とする。FD切替えトランジスタ282のゲート電極には、高レベルがアクティブとなるスイッチ信号SW2が垂直駆動部12(図1参照)から与えられる。
次に、上記の構成の第4実施形態に係る単位画素20の回路動作について、図23のタイミング波形図を用いて説明する。図23には、垂直駆動部12から出力される、選択信号SEL、スイッチ信号SW2、リセット信号RST、転送信号TG1、転送信号TG2、及び、シャッター信号SHGの各波形を示している。
第5実施形態は、第2実施形態、第3実施形態、及び、第4実施形態を合体させたものである。第5実施形態に係る単位画素20の回路構成を図24に示し、第5実施形態に係る単位画素20の平面レイアウトの構成を図25に示す。
第5実施形態では、FD切替えトランジスタを2つ備えている。具体的には、図24に示すように、転送トランジスタ21とリセットトランジスタ24との間に第1の切換ゲート部として配置されたFD切替えトランジスタ281と、転送トランジスタ22とリセットトランジスタ24との間に第2の切換ゲート部として配置されたFD切替えトランジスタ282とを備えている。FD切替えトランジスタ281のゲート電極281Gには、高レベルがアクティブとなるスイッチ信号SW1が印加され、FD切替えトランジスタ282のゲート電極282Gには、高レベルがアクティブとなるスイッチ信号SW2が印加される。
次に、上記の構成の第5実施形態に係る単位画素20の回路動作について、図26のタイミング波形図を用いて説明する。図26には、垂直駆動部12から出力される、選択信号SEL、スイッチ信号SW1、スイッチ信号SW2、リセット信号RST、転送信号TG1、転送信号TG2、及び、シャッター信号SHGの各波形を示している。
ここで、CMOSイメージセンサ10(10A,10B)において、単位画素20として、第5実施形態に係る単位画素20を用いる場合の、信号処理部18での画素信号の演算処理について説明する。
まず、画素信号の演算処理の処理例1について説明する。処理例1では、信号処理部18は、低感度差分信号SNLが所定の範囲内となったときに、低感度差分信号SNLと高感度差分信号SNHとの比を画素毎、複数画素毎、色毎、共有画素単位内の特定画素毎、もしくは全画素一律にゲインとして算出してゲインテーブルを生成する。そして、信号処理部18は、低感度差分信号SNLと当該ゲインテーブルとの積を低感度差分信号SNLの補正値として算出する。
=(Cfd31+Cfd32+Cfd33)/Cfd31×SENS_H/SENS_L
(2) SENS_H=α+β×{T2/(T1+T2)}
(3) SENS_L=β×{T2/(T1+T2)}
(4) SNL’=G×SNL
次に、画素信号の演算処理の処理例2について説明する。処理例2では、信号処理部18は、図28Bに示すように、高感度差分信号SNHが所定の範囲内において、補正低感度差分信号SNL’と高感度差分信号SNHとを予め設定された比率で合成し、画素信号SNとして出力する。
・Vt×0.90≦SNH<V t ×0.94の場合に、
SN=0.9×SNH+0.1×SNL’
・Vt×0.94≦SNH<V t ×0.98の場合に、
SN=0.7×SNH+0.3×SNL’
・Vt×0.98≦SNH<V t ×1.02の場合に、
SN=0.5×SNH+0.5×SNL’
・Vt×1.02≦SNH<V t ×1.06の場合に、
SN=0.3×SNH+0.7×SNL’
・Vt×1.06≦SNH<V t ×1.10の場合に、
SN=0.1×SNH+0.9×SNL’
・Vt×1.10≦SNHの場合に、SN=SNL’
第6実施形態は、被写体輝度に応じてフォトダイオードの感度を適応的に制御する例である。第6実施形態に係る単位画素20及びその制御系の構成の一例を図29に示す。図29では、図11に示す第2実施形態に係る単位画素20をベースとしている。
図29に示すように、第6実施形態に係る単位画素20の制御系は、被写体輝度評価部31及び露光時間制御部32を有し、間欠駆動対象の第2のフォトダイオードPD2から得られる信号レベルを基に、当該第2のフォトダイオードPD2の露光時間を制御する構成となっている。
続いて、図30のフローチャートを用いて、第6実施形態に係る単位画素20の制御系の処理の流れについて説明する。
S=β1×t1+β2×t2
このため、ここから、任意の感度で全期間を露光した時の信号に換算することが可能となる。
以上説明した第1実施形態乃至第6実施形態に係る単位画素20を備えるCMOSイメージセンサ10(10A,10B)によれば、以下のような作用、効果を得ることができる。すなわち、第2のフォトダイオードPD2の信号電荷の蓄積に関する間欠駆動によって第1のフォトダイオードPD1及び第2のフォトダイオードPD2の感度比を任意に制御できるため、物理的に感度差をつける場合に比べて、自由にダイナミックレンジを変更できる。
第1実施形態乃至第6実施形態では、1画素内に感度が異なる2つの光電変換部(第1のフォトダイオードPD1及び第2のフォトダイオードPD2)を設ける例を示したが、1画素内に3つ以上の光電変換部を設けることも可能である。この場合、感度が最も高い光電変換部に電荷蓄積部を設けずに、少なくとも感度が最も低い光電変換部に電荷蓄積部を設けるようにすればよい。また、この条件を満たしていれば、感度が同じ光電変換部を2つ以上設けることも可能である。
上述した第1実施形態乃至第6実施形態に係る固体撮像素子は、デジタルスチルカメラやビデオカメラ等の撮像装置や、携帯電話機などの撮像機能を有する携帯端末装置や、画像読取部に固体撮像素子を用いる複写機などの電子機器全般において、その撮像部(画像取込部)として用いることができる。尚、固体撮像素子はワンチップとして形成された形態であってもよいし、撮像部と、信号処理部または光学系とがまとめてパッケージングされた撮像機能を有するモジュール状の形態であってもよい。電子機器に搭載される上記モジュール状の形態、即ち、カメラモジュールを撮像装置とする場合もある。
図33は、本開示の電子機器の一例である撮像装置の構成を示すブロック図である。図33に示すように、本例に係る撮像装置50は、レンズ群等を含む光学系51、撮像部52、DSP回路53、フレームメモリ54、表示装置55、記録装置56、操作系57、及び、電源系58等を有している。そして、DSP回路53、フレームメモリ54、表示装置55、記録装置56、操作系57、及び、電源系58がバスライン59を介して相互に接続された構成となっている。
第7実施形態は、第1実施形態乃至第6実施形態に係る技術、即ち、光電変換部の信号電荷の蓄積に関して間欠的な駆動を行う技術を用いた固体撮像素子、例えばCMOSイメージセンサの例である。第7実施形態に係るCMOSイメージセンサのシステム構成図を図34に示す。
図34に示すように、第7実施形態に係るCMOSイメージセンサ100は、半導体素子を形成した半導体素子層(所謂、シリコンダイ)を例えば5個積層して相互に信号線を接続した構造となっている。尚、以下の説明においては、便宜上、CMOSイメージセンサ100への光の入射面側を「上側」、当該入射面と対向する側を「下側」として説明する。
第7実施形態に係るCMOSイメージセンサ100における単位画素20の内部構成の一例を図35に示す。図35には、図34に記載の単位画素20の1個の内部構成を示している。単位画素20は、第1の半導体素子層101に形成された部分と、第2の半導体素子層102に形成された部分と、第3の半導体素子層103に形成された部分とから成る。図35を用いて、単位画素20の内部構成について具体的に説明する。
(1)被写体の輝度に対する、第1の光電変換部で生じた信号電荷のA/D変換結果得られるデジタル値の出力特性
(2)被写体の輝度に対する、第2の光電変換部で生じた信号電荷のA/D変換結果得られるデジタル値の出力特性
次に、第7実施形態に係るCMOSイメージセンサ100のシステムの立体構成について、図37を用いて説明する。図37は、第7実施形態に係るCMOSイメージセンサ100のシステムの立体構成を示す概略斜視図である。
(1)単位画素20が第1、第2、第3の半導体素子層101,102,103の3層に亘って形成され、かつ、これら3層において、複数個の画素20が2次元アレイ状に配置されていること
(2)第4の半導体素子層104には、フレーム信号処理を行う信号処理プロセッサ(もしくは、信号処理回路)が備わること
(3)第5の半導体素子層105には、フレームメモリ231が備わること
を特徴としている。図37には、第1の半導体素子層101、第2の半導体素子層102、第3の半導体素子層103、第4の半導体素子層104、及び、第5の半導体素子層105を立体的に図示している。
次に、第7実施形態に係るCMOSイメージセンサ100における単位画素20の平面レイアウトについて、図38を用いて説明する。図38は、第7実施形態に係るCMOSイメージセンサ100における、第1の半導体素子層101における光電変換部と画素トランジスタの平面レイアウトを示すレイアウト図である。ここでは、単位画素20の平面レイアウトを4画素分示している。図38において、破線が単位画素20の境界線を表わしている。
次に、第7実施形態に係るCMOSイメージセンサ100において、単位画素20の露光時間を画素毎に調整する機構を備えることにより、ダイナミックレンジの広い画像を撮影する際の、1つの露光期間内のある時点での被写体対輝度評価について説明する。
尚、画素の飽和レベルを評価して、飽和している画素の露光時間を短縮する制御を、上記評価した画像の次のフレームへと反映させる技術が知られている。しかし、例えば、撮像装置を自動車等の移動手段に搭載して移動しながら露光を行う場合を想定すると、次のような問題が生じ得る。すなわち、特定の画素の飽和の状況を評価してその評価結果を次のフレームの制御へ反映させても、次のフレームでは被写体の位置が移動してしまっているため、飽和を評価した被写体とは異なる被写体に対して、当該飽和に基づく露光時間制御を施してしまうという問題が生じ得る。
次に、露光時間の制御の流れについて、図44を用いて説明する。図44は、被写体輝度評価ユニット201による電荷量の評価と、露光時間制御ユニット202による間欠的な駆動の設定についての処理の流れを示すフローチャートである。
まず、デューティ比=100%で露光を続ける場合について図45を用いて説明する。図45は、デューティ比=100%の場合の第1の光電変換部111及び第2の光電変換部112の露光時間の制御に関するタイミング波形図である。図45には、被写体輝度評価ユニット201による評価の結果、間欠駆動を用いずに実効的な露光時間がT1となるように露光動作を行っても階調性を持った画素データが得られる、と予測された画素の駆動例を示している。
次に、デューティ比=50%で露光を続ける場合について図46を用いて説明する。図46は、デューティ比=50%の場合の第1の光電変換部111及び第2の光電変換部112の露光時間の制御に関するタイミング波形図である。
次に、デューティ比=25%で露光を続ける場合について図47を用いて説明する。図47は、デューティ比=25%の場合の第1の光電変換部111及び第2の光電変換部112の露光時間の制御に関するタイミング波形図である。
ここで、露光動作によって得られる第1の光電変換部111及び第2の光電変換部112の出力について、図48を用いて説明する。図48は、第1の光電変換部111と第2の光電変換部112との露光動作によって得られる出力電圧をプロットした図である。図48において、横軸は単位画素20によって撮影される被写体の輝度、縦軸は単位画素20のフローティングディフュージョンFDからA/D変換ユニット204へ出力される電圧、言い換えればA/D変換ユニット204から出力されるデジタルデータに相当する値である。
第7実施形態の変形例1は、第2の半導体素子層102に形成した1つの画素制御ユニット及び画素信号処理ユニットが、複数個の単位画素20の制御と信号処理とを担う例である。第7実施形態の変形例1に係るCMOSイメージセンサ100のシステムの立体構成を図49に示す。
第7実施形態の変形例2は、単位画素20が光電変換部を1個有する例である。第7実施形態の変形例2に係るCMOSイメージセンサ100における単位画素20の内部構成図を図50に示す。
第7実施形態の変形例3は、被写体輝度に応じて、画素毎に電荷蓄積部の容量の大きさを変える例である。第7実施形態の変形例3に係るCMOSイメージセンサ100における単位画素20の内部構成図を図52に示す。
第7実施形態の変形例4は、(1)第7実施形態に備わる、被写体の輝度を評価してその結果に応じて露光時間を変更する手段と、(2)第7実施形態の変形例3に備わる、被写体の輝度を評価してその結果に応じて電荷蓄積部118の容量を変更する手段と、の双方を画素毎に備える(不図示)。
[1]複数の光電変換部を含む単位画素が複数配置されて成る画素アレイ部、及び、
複数の光電変換部の信号電荷の蓄積に関して間欠駆動することによって複数の光電変換部の感度比を変える駆動部、
を備える固体撮像素子。
[2]複数の光電変換部は、第1の光電変換部及び第2の光電変換部から成り、
単位画素は、電荷電圧変換部、第1の光電変換部で光電変換された電荷を電荷電圧変換部に転送する第1の転送ゲート部、第2の光電変換部で光電変換された電荷を電荷電圧変換部に転送する第2の転送ゲート部、及び、第2の光電変換部で光電変換された電荷を排出する排出ゲート部を有する、
上記[1]に記載の固体撮像素子。
[3]排出ゲート部は、第2の光電変換部で光電変換された電荷を第1の光電変換部へ排出する、
[2]に記載の固体撮像素子。
[4] 間欠駆動は、排出ゲート部及び第2の転送ゲート部を駆動するパルス信号による間欠的な駆動である、
上記[2]又は[3]に記載の固体撮像素子。
[5]駆動部は、第2の転送ゲート部及び排出ゲート部を、露光期間において、導通期間が重ならないように、交互に同じ周波数で動作させる、
上記[2]乃至[4]のいずれかに記載の固体撮像素子。
[6]排出ゲート部を形成するゲート電極は、第1の光電変換部の一部と重なるように設けられている、
上記[3]に記載の固体撮像素子。
[7]排出ゲート部は、第2の光電変換部と第1の光電変換部との間に直列に配置された2つのゲート部から成り、
2つのゲート部のうち、第1の光電変換部側のゲート部のゲート電極は、第1の光電変換部の一部と重なるように設けられている、
上記[3]に記載の固体撮像素子。
[8]単位画素は、電荷電圧変換部で変換された電圧を出力する増幅トランジスタ、電荷電圧変換部をリセットするリセットトランジスタ、第1の転送ゲート部とリセットトランジスタとの間に設けられた第1の切換ゲート部を有し、
電荷電圧変換部は、第1の転送ゲート部と増幅トランジスタと第1の切換ゲート部とによって囲まれる第1領域、及び、第1の切換ゲート部とリセットトランジスタと第2の転送ゲート部とによって囲まれる第2領域から成る、
上記[2]又は[3]に記載の固体撮像素子。
[9]第1の切換ゲート部は、第1の光電変換部の信号電荷を読み出す際に、電荷電圧変換部に関して、高変換効率モードと低変換効率モードとの切替えが可能である、
上記[8]に記載の固体撮像素子。
[10]単位画素は、第2領域に接続された容量素子を有する、
上記[8]又は[9]に記載の固体撮像素子。
[11]単位画素は、電荷電圧変換部で変換された電圧を出力する増幅トランジスタ、電荷電圧変換部をリセットするリセットトランジスタ、及び、第2の転送ゲート部とリセットトランジスタとの間に設けられた第2の切換ゲート部を有し、
電荷電圧変換部は、第1の転送ゲート部と増幅トランジスタと第2の切換ゲート部とによって囲まれる第1領域、及び、第2の転送ゲート部と第2の切換ゲート部との間に位置する第2領域から成る、
上記[2]又は[3]に記載の固体撮像素子。
[12]単位画素は、第2領域に接続された容量素子を有する、
上記[11]に記載の固体撮像素子。
[13]単位画素は、電荷電圧変換部で変換された電圧を出力する増幅トランジスタ、電荷電圧変換部をリセットするリセットトランジスタ、第1の転送ゲート部とリセットトランジスタとの間に設けられた第1の切換ゲート部、及び、第2の転送ゲート部とリセットトランジスタとの間に設けられた第2の切換ゲート部を有し、
電荷電圧変換部は、第1の転送ゲート部と増幅トランジスタと第1の切換ゲート部とによって囲まれる第1領域、第1の切換ゲート部と第2の切換ゲート部とリセットトランジスタとによって囲まれる第2領域、及び、第2の転送ゲート部と第2の切換ゲート部との間に位置する第3領域から成る、
上記[2]又は[3]に記載の固体撮像素子。
[14]単位画素は、第3領域に接続された容量素子を有する、
上記[13]に記載の固体撮像素子。
[15]複数の光電変換部は、第1の光電変換部及び第2の光電変換部から成り、
単位画素は、電荷蓄積部、第1の光電変換部で光電変換された電荷を電荷電圧変換部に転送する第1の転送ゲート部、電荷蓄積部と電荷電圧変換部とのポテンシャルを結合する第2及び第3の転送ゲート部、第2の光電変換部で光電変換された電荷を電荷蓄積部に転送する第4の転送ゲート部、第2の光電変換部で光電変換された電荷を排出する排出ゲート部、第4の転送ゲート部及び排出ゲート部の導通/非導通を制御することによって第2の光電変換部での露光動作の露光時間を制御する露光時間制御部、並びに、1回の第2の光電変換部での露光動作の期間内のある時点で電荷蓄積部に蓄積された電荷の量を評価する電荷量評価部を有し、
第4の転送ゲート部のゲート電極の下部には、第2の光電変換部から溢れた電荷を電荷蓄積部に転送するオーバーフローパスが形成されており、
露光時間制御部は、電荷量評価部の評価結果に応じて、1回の第2の光電変換部での露光動作における、電荷量評価部による評価以降の露光時間を制御する、
上記[1]に記載の固体撮像素子。
[16]光電変換部を含む単位画素が複数配置されて成る画素アレイ部、
光電変換部の信号電荷の蓄積に関して間欠駆動する駆動部、及び、
光電変換部から得られる信号レベルを基に、当該光電変換部の露光時間を制御する制御系、
を備える固体撮像素子。
[17]制御系は、光電変換部から得られる信号レベルに基づいて被写体の輝度を評価する被写体輝度評価部、及び、被写体輝度評価部の評価結果に基づいて、光電変換部の信号電荷の蓄積に関して間欠駆動するパルス信号のパルス幅を制御することによって露光時間を制御する露光時間制御部を有する、
上記[16]に記載の固体撮像素子。
[18]光電変換部を含む単位画素が複数配置されて成る画素アレイ部を備え、
単位画素は、電荷蓄積部、光電変換部で光電変換された電荷を電荷蓄積部に転送する転送ゲート部、光電変換部で光電変換された電荷を排出する排出ゲート部、転送ゲート部及び排出ゲート部の導通/非導通を制御することによって光電変換部での露光動作の露光時間を制御する露光時間制御部、及び、1回の光電変換部での露光動作の期間内のある時点で電荷蓄積部に蓄積された電荷の量を評価する電荷量評価部を有し、
露光時間制御部は、電荷量評価部の評価結果に応じて、1回の光電変換部における露光動作における、電荷量評価部による評価以降の露光時間を制御する、
固体撮像素子。
[19]複数の光電変換部を含む単位画素が複数配置されて成る画素アレイ部を備える固体撮像素子の駆動に当たって、
複数の光電変換部の信号電荷の蓄積に関して間欠駆動することによって複数の光電変換部の感度比を変える、
固体撮像素子の駆動方法。
[20]複数の光電変換部を含む単位画素が複数配置されて成る画素アレイ部と、
複数の光電変換部の信号電荷の蓄積に関して間欠駆動することによって複数の光電変換部の感度比を変える駆動部と、
を備える固体撮像素子を有する電子機器。
Claims (15)
- 複数の光電変換部を含む単位画素が複数配置されて成る画素アレイ部、及び、
複数の光電変換部の信号電荷の蓄積に関して間欠駆動することによって複数の光電変換部の感度比を変える駆動部、
を備え、
複数の光電変換部は、第1の光電変換部及び第2の光電変換部から成り、
単位画素は、電荷電圧変換部、第1の光電変換部で光電変換された電荷を電荷電圧変換部に転送する第1の転送ゲート部、第2の光電変換部で光電変換された電荷を電荷電圧変換部に転送する第2の転送ゲート部、及び、第2の光電変換部で光電変換された電荷を第1の光電変換部へ排出する排出する排出ゲート部を有する、
固体撮像素子。 - 排出ゲート部を形成するゲート電極は、第1の光電変換部の一部と重なるように設けられている、
請求項1に記載の固体撮像素子。 - 排出ゲート部は、第2の光電変換部と第1の光電変換部との間に直列に配置された2つのゲート部から成り、
2つのゲート部のうち、第1の光電変換部側のゲート部のゲート電極は、第1の光電変換部の一部と重なるように設けられている、
請求項1に記載の固体撮像素子。 - 複数の光電変換部を含む単位画素が複数配置されて成る画素アレイ部、及び、
複数の光電変換部の信号電荷の蓄積に関して間欠駆動することによって複数の光電変換部の感度比を変える駆動部、
を備え、
複数の光電変換部は、第1の光電変換部及び第2の光電変換部から成り、
単位画素は、電荷電圧変換部、第1の光電変換部で光電変換された電荷を電荷電圧変換部に転送する第1の転送ゲート部、第2の光電変換部で光電変換された電荷を電荷電圧変換部に転送する第2の転送ゲート部、及び、第2の光電変換部で光電変換された電荷を排出する排出する排出ゲート部を有し、
駆動部は、第2の転送ゲート部及び排出ゲート部を、露光期間において、導通期間が重ならないように、交互に同じ周波数で動作させる、
固体撮像素子。 - 複数の光電変換部を含む単位画素が複数配置されて成る画素アレイ部、及び、
複数の光電変換部の信号電荷の蓄積に関して間欠駆動することによって複数の光電変換部の感度比を変える駆動部、
を備え、
複数の光電変換部は、第1の光電変換部及び第2の光電変換部から成り、
単位画素は、電荷電圧変換部、第1の光電変換部で光電変換された電荷を電荷電圧変換部に転送する第1の転送ゲート部、第2の光電変換部で光電変換された電荷を電荷電圧変換部に転送する第2の転送ゲート部、第2の光電変換部で光電変換された電荷を排出する排出する排出ゲート部、電荷電圧変換部で変換された電圧を出力する増幅トランジスタ、電荷電圧変換部をリセットするリセットトランジスタ、及び、第1の転送ゲート部とリセットトランジスタとの間に設けられた第1の切換ゲート部を有し、
電荷電圧変換部は、第1の転送ゲート部と増幅トランジスタと第1の切換ゲート部とによって囲まれる第1領域、及び、第1の切換ゲート部とリセットトランジスタと第2の転送ゲート部とによって囲まれる第2領域から成る、
固体撮像素子。 - 第1の切換ゲート部は、第1の光電変換部の信号電荷を読み出す際に、電荷電圧変換部に関して、高変換効率モードと低変換効率モードとの切替えが可能である、
請求項5に記載の固体撮像素子。 - 単位画素は、第2領域に接続された容量素子を有する、
請求項5に記載の固体撮像素子。 - 複数の光電変換部を含む単位画素が複数配置されて成る画素アレイ部、及び、
複数の光電変換部の信号電荷の蓄積に関して間欠駆動することによって複数の光電変換部の感度比を変える駆動部、
を備え、
複数の光電変換部は、第1の光電変換部及び第2の光電変換部から成り、
単位画素は、電荷電圧変換部、第1の光電変換部で光電変換された電荷を電荷電圧変換部に転送する第1の転送ゲート部、第2の光電変換部で光電変換された電荷を電荷電圧変換部に転送する第2の転送ゲート部、第2の光電変換部で光電変換された電荷を排出する排出する排出ゲート部、電荷電圧変換部で変換された電圧を出力する増幅トランジスタ、電荷電圧変換部をリセットするリセットトランジスタ、及び、第2の転送ゲート部とリセットトランジスタとの間に設けられた第2の切換ゲート部を有し、
電荷電圧変換部は、第1の転送ゲート部と増幅トランジスタと第2の切換ゲート部とによって囲まれる第1領域、及び、第2の転送ゲート部と第2の切換ゲート部との間に位置する第2領域から成る、
固体撮像素子。 - 単位画素は、第2領域に接続された容量素子を有する、
請求項8に記載の固体撮像素子。 - 複数の光電変換部を含む単位画素が複数配置されて成る画素アレイ部、及び、
複数の光電変換部の信号電荷の蓄積に関して間欠駆動することによって複数の光電変換部の感度比を変える駆動部、
を備え、
複数の光電変換部は、第1の光電変換部及び第2の光電変換部から成り、
単位画素は、電荷電圧変換部、第1の光電変換部で光電変換された電荷を電荷電圧変換部に転送する第1の転送ゲート部、第2の光電変換部で光電変換された電荷を電荷電圧変換部に転送する第2の転送ゲート部、第2の光電変換部で光電変換された電荷を排出する排出する排出ゲート部、電荷電圧変換部で変換された電圧を出力する増幅トランジスタ、電荷電圧変換部をリセットするリセットトランジスタ、第1の転送ゲート部とリセットトランジスタとの間に設けられた第1の切換ゲート部、及び、第2の転送ゲート部とリセットトランジスタとの間に設けられた第2の切換ゲート部を有し、
電荷電圧変換部は、第1の転送ゲート部と増幅トランジスタと第1の切換ゲート部とによって囲まれる第1領域、第1の切換ゲート部と第2の切換ゲート部とリセットトランジスタとによって囲まれる第2領域、及び、第2の転送ゲート部と第2の切換ゲート部との間に位置する第3領域から成る、
固体撮像素子。 - 単位画素は、第3領域に接続された容量素子を有する、
請求項10に記載の固体撮像素子。 - 間欠駆動は、排出ゲート部及び第2の転送ゲート部を駆動するパルス信号による間欠的な駆動である、
請求項1乃至11のいずれかに記載の固体撮像素子。 - 複数の光電変換部を含む単位画素が複数配置されて成る画素アレイ部、及び、
複数の光電変換部の信号電荷の蓄積に関して間欠駆動することによって複数の光電変換部の感度比を変える駆動部、
を備え、
複数の光電変換部は、第1の光電変換部及び第2の光電変換部から成り、
単位画素は、電荷蓄積部、第1の光電変換部で光電変換された電荷を電荷電圧変換部に転送する第1の転送ゲート部、電荷蓄積部と電荷電圧変換部とのポテンシャルを結合する第2及び第3の転送ゲート部、第2の光電変換部で光電変換された電荷を電荷蓄積部に転送する第4の転送ゲート部、第2の光電変換部で光電変換された電荷を排出する排出ゲート部、第4の転送ゲート部及び排出ゲート部の導通/非導通を制御することによって第2の光電変換部での露光動作の露光時間を制御する露光時間制御部、並びに、1回の第2の光電変換部での露光動作の期間内のある時点で電荷蓄積部に蓄積された電荷の量を評価する電荷量評価部を有し、
第4の転送ゲート部のゲート電極の下部には、第2の光電変換部から溢れた電荷を電荷蓄積部に転送するオーバーフローパスが形成されており、
露光時間制御部は、電荷量評価部の評価結果に応じて、1回の第2の光電変換部での露光動作における、電荷量評価部による評価以降の露光時間を制御する、
固体撮像素子。 - 複数の光電変換部を含む単位画素が複数配置されて成る画素アレイ部を備え、
複数の光電変換部は、第1の光電変換部及び第2の光電変換部から成り、
単位画素は、電荷電圧変換部、第1の光電変換部で光電変換された電荷を電荷電圧変換部に転送する第1の転送ゲート部、第2の光電変換部で光電変換された電荷を電荷電圧変換部に転送する第2の転送ゲート部、及び、第2の光電変換部で光電変換された電荷を第1の光電変換部へ排出する排出する排出ゲート部を有する、
固体撮像素子の駆動に当たって、
複数の光電変換部の信号電荷の蓄積に関して間欠駆動し、かつ、第2の光電変換部で光電変換された電荷を第1の光電変換部で光電変換された電荷に加算することによって複数の光電変換部の感度比を変える、
固体撮像素子の駆動方法。 - 複数の光電変換部を含む単位画素が複数配置されて成る画素アレイ部、及び、
複数の光電変換部の信号電荷の蓄積に関して間欠駆動することによって複数の光電変換部の感度比を変える駆動部と、
を備え、
複数の光電変換部は、第1の光電変換部及び第2の光電変換部から成り、
単位画素は、電荷電圧変換部、第1の光電変換部で光電変換された電荷を電荷電圧変換部に転送する第1の転送ゲート部、第2の光電変換部で光電変換された電荷を電荷電圧変換部に転送する第2の転送ゲート部、及び、第2の光電変換部で光電変換された電荷を第1の光電変換部へ排出する排出する排出ゲート部
を備える固体撮像素子を有する電子機器。
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