特許 6178595 撮像装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6178595

(24)【登録日】2017年7月21日

(45)【発行日】2017年8月9日

(54)【発明の名称】撮像装置

(51)【国際特許分類】

   H04N 5/374 20110101AFI20170731BHJP

   H04N 5/363 20110101ALI20170731BHJP

   H04N 5/3745 20110101ALI20170731BHJP

   H01L 27/146 20060101ALI20170731BHJP

【ＦＩ】

   H04N5/374

   H04N5/363

   H04N5/3745

   H01L27/146 A

【請求項の数】2

【全頁数】10

(21)【出願番号】特願2013-48446(P2013-48446)

(22)【出願日】2013年3月11日

(65)【公開番号】特開2014-175948(P2014-175948A)

(43)【公開日】2014年9月22日

【審査請求日】2016年2月1日

【権利譲渡・実施許諾】特許権者において、実施許諾の用意がある。

(73)【特許権者】

【識別番号】000004352

【氏名又は名称】日本放送協会

(74)【代理人】

【識別番号】100107766

【弁理士】

【氏名又は名称】伊東 忠重

(74)【代理人】

【識別番号】100070150

【弁理士】

【氏名又は名称】伊東 忠彦

(72)【発明者】

【氏名】北村 和也

【審査官】 鈴木 明

(56)【参考文献】

【文献】 国際公開第２０１２／００４９２８（ＷＯ，Ａ１）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０４Ｎ ５／３０−５／３７８

Ｈ０１Ｌ ２７／１４−２７／１４８

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

画素に配設される光電変換部と、
前記光電変換部の出力端子に接続されるスイッチ素子と、
前記スイッチ素子の出力側に接続され、前記スイッチ素子を介して、前記光電変換部が出力する映像信号を蓄積するフローティングディフュージョンと、
電源と前記フローティングディフュージョンとの間に設けられ、オンにされると前記フローティングディフュージョンに蓄積される映像信号をリセットするリセットスイッチと、
前記フローティングディフュージョンと前記リセットスイッチとの接続点に直列に接続される読み出しスイッチと、前記接続点に前記読み出しスイッチを介して接続される読み出し端子とを有し、前記フローティングディフュージョンに蓄積される映像信号を前記リセットスイッチがオフのときに前記読み出し端子から読み出す信号読み出し回路と、
前記スイッチ素子と前記リセットスイッチと前記読み出しスイッチとのオン／オフを切り替える駆動部と
を含み、
前記駆動部は、２つのフレーム期間のうち、第１フレーム期間の開始時には、前記光電変換部が光電変換をしている状態で前記リセットスイッチをオフ、前記スイッチ素子をオフ、かつ、前記読み出しスイッチをオフにしてから、前記リセットスイッチをオン、前記スイッチ素子をオフ、かつ、前記読み出しスイッチをオンにし、第２フレーム期間の開始時にはリセットスイッチをオフ、前記スイッチ素子をオフ、かつ、前記読み出しスイッチをオンにし、
前記第１フレーム期間の開始時に、前記リセットスイッチをオン、前記スイッチ素子をオフ、かつ、前記読み出しスイッチをオンにした状態で読み出す映像信号を前記第２フレーム期間のリセット信号として使用する、撮像装置。

【請求項2】

信号読み出し回路は、
フローティングディフュージョンの出力信号をデジタル変換するＡＤコンバータを有する、請求項１記載の撮像装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、撮像装置に関する。

【背景技術】

【0002】

従来から、光学系による像を繰り返し撮像する撮像素子と、前記光学系の焦点調節状態を検出する焦点検出手段と、前記焦点検出手段による検出結果に基づいて前記光学系による像の像面移動速度を算出する像面移動速度算出手段と、前記像面移動速度算出手段により算出された前記像面移動速度に応じて、前記撮像素子のフレームレートを変更する制御手段と、を備えたことを特徴とする撮像装置がある（例えば、特許文献１参照）。

【0003】

また、動画像を撮像可能な撮像手段と、前記撮像手段の撮像動作中に、前記撮像手段のフレームレートを第１のフレームレートから前記第１のフレームレートより高い第２のフレームレートに変更するフレームレート変更手段と、前記フレームレート変更手段によって前記第１のフレームレートから前記第２のフレームレートに変更される場合に、前記第２のフレームレートにて撮像された動画像から前記第１のフレームレートで撮像された動画像に相当する動画像を生成する動画像生成手段と、前記フレームレート変更手段によって前記第１のフレームレートから前記第２のフレームレートに変更される場合に、前記第２のフレームレートにて撮像された動画像と動画像生成手段にて生成された前記第１のフレームレートで撮像された動画像に相当する動画像とをともに記録する記録手段を備えることを特徴とする撮像装置がある（例えば、特許文献２参照）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特開２０１０−０８８０４９号公報

【特許文献2】特開２００７−１９５０５０号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

しかしながら、特許文献１、２記載の発明は、いずれも一度に２つの異なるフレームレートでの撮影を行うことはできない。

【0006】

そこで、本発明は、２つの異なるフレームレートで撮影を行うことのできる撮像装置を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0007】

本発明の一局面の撮像装置は、画素に配設される光電変換部と、前記光電変換部の出力端子に接続されるスイッチ素子と、前記スイッチ素子の出力側に接続され、前記スイッチ素子を介して、前記光電変換部が出力する映像信号を蓄積するフローティングディフュージョンと、電源と前記フローティングディフュージョンとの間に設けられ、オンにされると前記フローティングディフュージョンに蓄積される映像信号をリセットするリセットスイッチと、前記フローティングディフュージョンと前記リセットスイッチとの接続点に直列に接続される読み出しスイッチと、前記接続点に前記読み出しスイッチを介して接続される読み出し端子とを有し、前記フローティングディフュージョンに蓄積される映像信号を前記リセットスイッチがオフのときに前記読み出し端子から読み出す信号読み出し回路と、前記スイッチ素子と前記リセットスイッチと前記読み出しスイッチとのオン／オフを切り替える駆動部とを含み、前記駆動部は、２つのフレーム期間のうち、第１フレーム期間の開始時には、前記光電変換部が光電変換をしている状態で前記リセットスイッチをオフ、前記スイッチ素子をオフ、かつ、前記読み出しスイッチをオフにしてから、前記リセットスイッチをオン、前記スイッチ素子をオフ、かつ、前記読み出しスイッチをオンにし、第２フレーム期間の開始時にはリセットスイッチをオフ、前記スイッチ素子をオフ、かつ、前記読み出しスイッチをオンにし、前記第１フレーム期間の開始時に、前記リセットスイッチをオン、前記スイッチ素子をオフ、かつ、前記読み出しスイッチをオンにした状態で読み出す映像信号を前記第２フレーム期間のリセット信号として使用する。

【発明の効果】

【0008】

本発明によれば、２つの異なるフレームレートで撮影を行うことのできる撮像装置を提供できるという特有の効果が得られる。

【図面の簡単な説明】

【0009】

【図1】実施の形態の撮像装置に含まれるピクセル部を示す図である。

【図2】実施の形態１の撮像装置５００を示す図である。

【図3】実施の形態の撮像装置５００におけるピクセル部１００の駆動方法を説明するための図である。

【図4】実施の形態の撮像装置５００において映像信号を読み出す際のシーケンスを示す図である。

【図5】ピクセル部１００の出力端子１００Ａに出力される映像信号の信号レベル（ＰＩＸＥＬ ＯＵＴ）を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0010】

以下、本発明の撮像装置を適用した実施の形態について説明する。

【0011】

＜実施の形態＞
図１は、実施の形態の撮像装置に含まれるピクセル部を示す図である。

【0012】

実施の形態の撮像装置に含まれるピクセル部１００は、フォトダイオードＰＤ、スイッチ素子ＴＸ、フローティングディフュージョンＦＤ、リセット用スイッチ素子ＲＴ、出力段１１０、及び出力端子１００Ａを含む。

【0013】

フォトダイオードＰＤは、撮像装置に含まれる複数の画素のすべて、又は、一部の画素に配設されている。

【0014】

フォトダイオードＰＤは、光電変換部の一例である。ここでは、光電変換部の一例としてフォトダイオードＰＤを示すが、光電変換部はフォトダイオードに限らず、入射光を光電変換して、撮像信号を出力できる素子であればよい。

【0015】

フォトダイオードＰＤは、アノードが接地されており、出力端子となるカソードがスイッチ素子ＴＸに接続されている。

【0016】

なお、図１には、１つのフォトダイオードＰＤを示すが、実際には多数（Ｎ個）の画素があるため、ピクセル部１００は、Ｎ個のフォトダイオードＰＤを含む。ここで、Ｎは２以上の任意の整数である。

【0017】

スイッチ素子ＴＸは、例えば、ＦＥＴ（Field Effect Transistor）で構成される。ここでは、一例として、スイッチ素子ＴＸがｎ型のＦＥＴである形態について説明する。しかしながら、スイッチ素子ＴＸは、ｎ型のＦＥＴに限らず、他の形式のトランジスタであってもよい。

【0018】

スイッチ素子ＴＸは、ソースがフォトダイオードＰＤの出力端子（カソード）に接続され、ドレインがフローティングディフュージョンＦＤに接続される。スイッチ素子ＴＸのゲートは、実施の形態１のピクセル部１００を含む撮像装置の駆動部によって駆動される。

【0019】

なお、スイッチ素子ＴＸの数は、フォトダイオードＰＤの数と等しい。すなわち、スイッチ素子（ＴＸ）は、フォトダイオード（ＰＤ）の出力側に、１つずつ接続される。

【0020】

フローティングディフュージョンＦＤは、スイッチ素子ＴＸのドレインに接続されている。フローティングディフュージョンＦＤは、例えば、ｐｎ接合ダイオードのｎ型領域であり、電気的に浮遊している。

【0021】

フローティングディフュージョンＦＤは、コンデンサのような機能を有しており、スイッチ素子ＴＸを介して接続されるフォトダイオードＰＤから出力される撮像信号（負の電荷）を蓄積する。

【0022】

フローティングディフュージョンＦＤには所定の飽和容量があるため、所定の飽和容量以上の電荷を蓄積することはできない。フローティングディフュージョンＦＤは、撮像装置の用途等に応じて、所定の飽和容量を有するように構成されている。この飽和容量は、フローティングディフュージョンＦＤの飽和レベルに対応する。飽和レベルとは、それ以上撮像信号による電荷を蓄積できないレベルである。

【0023】

リセット用スイッチ素子ＲＴは、例えば、ｎ型のＦＥＴであり、ソースがフローティングディフュージョンＦＤに接続され、ドレインが電源（ＶＤＤ）に接続される。リセット用スイッチ素子ＲＴは、実施の形態１のピクセル部１００を含む撮像装置の駆動部によって駆動される。リセット用スイッチ素子ＲＴがオンにされると、フローティングディフュージョンは電源（ＶＤＤ）に接続され、リセットされる。なお、リセット用スイッチ素子ＲＴは、ｎ型のＦＥＴに限らず、他の形式のトランジスタであってもよい。

【0024】

出力段１１０は、フローティングディフュージョンＦＤに蓄積される電荷を信号読み出し回路に取り出すための回路である。実施の形態１では、出力段１１０は、例えば、アンプ１１０Ａとｎ型のＦＥＴ１１０Ｂで構成される。

【0025】

アンプ１１０Ａは、入力端子がフローティングディフュージョンＦＤに接続され、出力端子がＦＥＴ１１０Ｂのドレインに接続されている。

【0026】

ＦＥＴ１１０Ｂのドレインは、アンプ１１０Ａの出力端子に接続され、ソースは出力端子１００Ａに接続される。ＦＥＴ１１０Ｂのゲートは、撮像装置５００のセレクト信号（ＳＬ）が印加される。セレクト信号は、フォトダイオードＰＤを含む画素を選択するための信号であり、ピクセル部１００を含む撮像装置の駆動部から出力される。

【0027】

出力端子１００Ａは、ピクセル部１００の出力端子である。ピクセル部１００は、フローティングディフュージョンＦＤに蓄積した撮像信号を出力段１１０を介して、（ＰＩＸＥＬ ＯＵＴとして）出力端子１００Ａから出力する。出力端子１００Ａは、実施の形態１のピクセル部１００を含む撮像装置の信号読み出し部の入力端子に接続される。

【0028】

図２は、実施の形態１の撮像装置５００を示す図である。

【0029】

撮像装置５００は、ピクセル部１００、及びＡＤＣ回路５１０を含む。

【0030】

ピクセル部１００は、図１に示す出力端子１００ＡがＡＤＣ回路５１０に接続されており、ＦＤに蓄積される電荷による撮像信号をＡＤＣ回路５１０に出力する。

【0031】

ＡＤＣ回路５１０は、撮像信号（アナログ値）をデジタル値に変換するアナログデジタルコンバータ（Analog to Digital Converter）である。ＡＤＣ回路５１０がデジタル変換した撮像信号は、撮像装置５００の撮像信号（映像信号）として出力される。

【0032】

ここで、標準的なフレーム速度による撮像信号のサンプル値とは、ピクセル部１００のフォトダイオードＰＤによって得られた撮像信号がフローティングディフュージョンＦＤに蓄積された状態におけるフローティングディフュージョンＦＤの電荷レベル（Ｓ_ＲＡ）から、フローティングディフュージョンＦＤのリセットレベル（Ｓ_ＲＳＴ）を引いた値（Ｓ_ＲＡ−Ｓ_ＲＳＴ）である。

【0033】

また、フレーム速度が半分の撮像信号のサンプル値とは、１番目のフレーム期間においてフォトダイオードＰＤによって得られた撮像信号を蓄積したフローティングディフュージョンＦＤが、２番目のフレーム期間においてフォトダイオードＰＤによって得られた撮像信号をさらに蓄積した状態における（フローティングディフュージョンＦＤの）電荷レベル（Ｓ_ＲＢ）から、フローティングディフュージョンＦＤのリセットレベル（Ｓ_ＲＳＴ）を引いた値（Ｓ_ＲＢ−Ｓ_ＲＳＴ）である。

【0034】

実施の形態１では、ピクセル部１００が２つフレーム期間で得られる合計の電荷をフローティングディフュージョンＦＤに蓄積する形態について説明する。

【0035】

次に、図３を用いて実施の形態の撮像装置５００におけるピクセル部１００の駆動方法について説明する。

【0036】

図３は、実施の形態の撮像装置５００におけるピクセル部１００の駆動方法を説明するための図である。図３には、ピクセル部１００の動作を説明するために、（Ａ）〜（Ｅ）の状態を時系列的に示す。

【0037】

なお、図３（Ａ）〜（Ｅ）には図１に示すピクセル部１００を示すが、ここでは図面を見やすくするために、ピクセル部１００、出力段１１０、及び出力端子１００Ａの符号を省略する。

【0038】

図３（Ａ）では、フォトダイオードＰＤに１フレーム期間の映像信号が蓄積される。このとき、スイッチ素子ＴＸ、リセット用スイッチ素子ＲＴ、及びＦＥＴ１１０Ｂはオフにされる。

【0039】

図３（Ｂ）では、ＦＥＴ１１０Ｂがオン、リセット用スイッチ素子ＲＴがオンにされ、リセット信号が出力端子１００Ａから読み出される。

【0040】

次に、図３（Ｃ）に示すようにスイッチ素子ＴＸがオンにされることで、フォトダイオードＰＤで得られる信号電荷がフローティングディフュージョン（ＦＤ）に転送され、出力端子１００Ａから映像信号（ＰＩＸＥＬ ＯＵＴ）が読みだされる。

【0041】

次に、図３（Ｄ）に示すようにＦＥＴ１１０Ｂがオフにされ、次の１フレームの露光が開始される。

【0042】

次に、図３（Ｅ）に示すように画素選択期間でＦＥＴ１１０Ｂがオンにされ、またスイッチ素子ＴＸがオンにされることで、出力端子１００Ａから映像信号（ＰＩＸＥＬ ＯＵＴ）が読み出される。このときの映像信号は、図３（Ｃ）の期間で転送された信号電荷に、図３（Ｄ）の期間で蓄積された信号電荷が付加されることによって得られる値を有する。

【0043】

次に、図４及び図５を用いて、実施の形態の撮像装置５００において映像信号を読み出す際のシーケンスについて説明する。

【0044】

図４は、実施の形態の撮像装置５００において映像信号を読み出す際のシーケンスを示す図である。図５は、ピクセル部１００の出力端子１００Ａに出力される映像信号の信号レベル（ＰＩＸＥＬ ＯＵＴ）を示す図である。

【0045】

図４には上段に１番目のフレーム期間（1 Frame）のｎ−１番目の水平期間（n-1 H.）とｎ番目の水平期間（n H.）を示す。また、図４には下段に２番目のフレーム期間（2 Frame）のｎ−１番目の水平期間（n-1 H.）とｎ番目の水平期間（n H.）を示す。

【0046】

ここでは、１番目のフレーム期間（1 Frame）のｎ番目の水平期間（n H.）と、２番目のフレーム期間（2 Frame）のｎ−１番目のｎ番目の水平期間（n H.）とに着目する。

【0047】

なお、上段及び下段のシーケンスにおいて、ＰＩＸＥＬ ＯＵＴの下に示す（Ａ）〜（Ｅ）は、図３の（Ａ）〜（Ｅ）の状態にそれぞれ対応する。

【0048】

図４において、１番目のフレーム期間（1 Frame）では、（Ａ）の状態になり、フォトダイオードＰＤに１フレーム期間の映像信号が蓄積される。

【0049】

次に、１番目のフレーム期間（1 Frame）のｎ番目の水平期間（n H.）では、まず（Ｂ）の状態になることにより、ＦＥＴ１１０Ｂがオン、リセット用スイッチ素子ＲＴがオンにされ、リセット信号が出力端子１００Ａから読み出される。

【0050】

このときの映像信号のレベルは、フローティングディフュージョンＦＤのリセットレベル（Ｓ_ＲＳＴ）である（図５（Ａ）参照）。

【0051】

次に、（Ｃ）の状態になると、スイッチ素子ＴＸがオンにされることで、フォトダイオードＰＤで得られる信号電荷がフローティングディフュージョン（ＦＤ）に転送され、出力端子１００Ａから映像信号が読みだされる。

【0052】

このため、映像信号の信号レベル（ＰＩＸＥＬ ＯＵＴ）は、フローティングディフュージョンＦＤの電荷レベル（Ｓ_Ａ）に低下する。

【0053】

このときの映像信号のレベルは、ピクセル部１００のフォトダイオードＰＤ０によって得られた撮像信号がフローティングディフュージョンＦＤに蓄積された状態におけるフローティングディフュージョンＦＤの電荷レベル（Ｓ_Ａ）から、フローティングディフュージョンＦＤのリセットレベル（Ｓ_ＲＳＴ）（図５（Ａ）参照）を引いた値（Ｓ_Ａ−Ｓ_ＲＳＴ）である（図５（Ｂ）参照）。

【0054】

次に、（Ｄ）の状態になると、ＦＥＴ１１０Ｂがオフにされ、次の１フレーム（２番目のフレーム期間）の露光が開始される。

【0055】

そして、次に、（Ｅ）の状態になると、ＦＥＴ１１０Ｂとスイッチ素子ＴＸが同時にオンにされることで、出力端子１００Ａ（ＰＩＸＥＬ ＯＵＴ）から映像信号が読み出される。このときの映像信号は、図３（Ｃ）の期間で転送された信号電荷に、図３（Ｄ）の期間で蓄積された信号電荷が付加されることによって得られる値を有する。

【0056】

すなわち、（Ｅ）の期間の初めにフローティングディフュージョンＦＤがリセットされることなく、フローティングディフュージョンＦＤに電荷が蓄積される。このときのフローティングディフュージョンＦＤの電荷レベル（Ｓ_Ｂ）を用いると、このときの映像信号のレベルは、フローティングディフュージョンＦＤの電荷レベル（Ｓ_Ｂ）から、フローティングディフュージョンＦＤのリセットレベル（Ｓ_ＲＳＴ）（図５（Ａ）参照）を引いた値（Ｓ_Ｂ−Ｓ_ＲＳＴ）である（図５（Ｃ）参照）。

【0057】

こうして得られる映像信号は、ＡＤＣ回路５１０でデジタル値に変換されて出力される。

【0058】

ここで、信号レベルがｃの映像信号は、信号レベルが（Ｓ_Ａ−Ｓ_ＲＳＴ）の映像信号に比べて、フレームレートが１／２倍（すなわち、速度が１／２倍（半分））である。

【0059】

撮像装置５００は、リセットレベルＳ_ＲＳＴとフレームレートが１倍の信号レベルが（Ｓ_Ａ）の映像信号と、フレームレートが１／２倍の信号レベルが（Ｓ_Ｂ）の映像信号とを出力する。フレームレートが1倍の実際の映像信号は（Ｓ_Ａ−Ｓ_ＲＳＴ）と（Ｓ_Ｂ−Ｓ_Ａ）であり、フレームレートが１／２倍の実際の映像信号は（Ｓ_Ｂ−Ｓ_ＲＳＴ）であり、これらの演算は後段の信号処理回路などフレームレートを選択する際に行われる。

【0060】

ここで、映像信号の読み出し時のランダムノイズをＲＮとする。このランダムノイズＲＮは、リセット時と信号の読み出し時とでそれぞれ発生するランダムノイズである。

【0061】

フレームレートが１倍の信号レベルが（Ｓ_Ａ−Ｓ_ＲＳＴ）の映像信号を得る場合には、リセット時と信号読み出し時の２回の読み出しのノイズの２乗和の平方根となることから、最終的なノイズは√２×ＲＮとなる。

【0062】

例えば、ピクセル部１００から出力された後に、フレームレートが１倍の映像信号を２フレーム分加算して疑似的に１／２倍（半分）のフレームレートの映像信号を得ようとすると、２フレーム分の映像信号に含まれるノイズの２乗和の平方根となることから、２ＲＮとなる。

【0063】

これに対して、実施の形態によるフレームレートが１／２倍の映像信号を得る場合には、リセット時（Ｓ_ＲＳＴ）と信号読み出し時（Ｓ_Ｂ）の２回の読み出しのノイズの２乗和の平方根となることから、最終的なノイズは√２×ＲＮとなる。

【0064】

従って、出力信号の加算により疑似的に半分のフレームレートの映像信号を得る場合に比べて、ノイズを低減することができる。具体的には、ピクセル部１００から出力された後に、フレームレートが１倍の映像信号を２フレーム分加算して疑似的に１／２倍のフレームレートの映像信号を得る場合に比べて、最終的なノイズを√２分の１に（１／（√２））倍にすることができる。すなわち、フレームレートが１倍の信号レベルが（Ｓ_Ａ−Ｓ_ＲＳＴ）の映像信号を読み出す場合と同じノイズレベルにできる。

【0065】

以上、実施の形態によれば、ノイズレベルを低減しつつ、２つの異なるフレームレートで撮影を行うことのできる撮像装置５００を提供することができる。

【0066】

撮像装置５００で同時に得られた二つのフレームレートの映像信号をすべて読み出し、見やすい方を人間又は装置で判断して再生のフレームレートを選択すればよい。

【0067】

なお、以上では、２つの異なるフレームレートで撮影を行うことのできる撮像装置５００について説明したが、３つ以上の異なるフレームレートで撮影を行うようにしてもよい。

【0068】

以上、本発明の例示的な実施の形態の撮像装置について説明したが、本発明は、具体的に開示された実施の形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲から逸脱することなく、種々の変形や変更が可能である。

【符号の説明】

【0069】

１００ ピクセル部
１００Ａ 出力端子
１１０ 出力段
ＰＤ フォトダイオード
ＴＸ スイッチ素子
ＦＤ フローティングディフュージョン
ＲＴ リセット用スイッチ素子
５００ 撮像装置
５１０ ＡＤＣ回路

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】