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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】P2022043221
(43)【公開日】2022-03-15
(54)【発明の名称】撮像素子
(51)【国際特許分類】
   H04N 5/3745 20110101AFI20220308BHJP
   H04N 5/359 20110101ALI20220308BHJP
【FI】
H04N5/3745 200
H04N5/359 400
【審査請求】有
【請求項の数】1
【出願形態】OL
(21)【出願番号】P 2021210723
(22)【出願日】2021-12-24
(62)【分割の表示】P 2019545619の分割
【原出願日】2018-09-27
(31)【優先権主張番号】P 2017192167
(32)【優先日】2017-09-29
(33)【優先権主張国・地域又は機関】JP
(71)【出願人】
【識別番号】000004112
【氏名又は名称】株式会社ニコン
(74)【代理人】
【識別番号】100161207
【弁理士】
【氏名又は名称】西澤 和純
(74)【代理人】
【識別番号】100140774
【弁理士】
【氏名又は名称】大浪 一徳
(74)【代理人】
【識別番号】100175824
【弁理士】
【氏名又は名称】小林 淳一
(72)【発明者】
【氏名】安藤 良次
(72)【発明者】
【氏名】渡邉 佳之
(57)【要約】      (修正有)
【課題】グローバルシャッタ動作とローリングシャッタ動作とを行うことが可能な撮像素子を提供する。
【解決手段】撮像素子の単位画素30は、フォトダイオードPDと、拡散容量SCと、拡散容量転送トランジスタMEMと、第1の転送トランジスタTx1と、第2の転送トランジスタTx2と、リセットトランジスタRSTと、増幅トランジスタSFと、選択トランジスタSELと、FD領域FDとを有する。第2の転送トランジスタTx2は、フォトダイオードPDで生成された電荷を、拡散容量SCを介してFD領域へ転送する第1転送路を構成する。第1の転送トランジスタTx1は、フォトダイオードPDで生成された電荷を、拡散容量SCを介してFD領域へ転送する第2転送路を構成する。
【選択図】図3
【特許請求の範囲】
【請求項1】
光を光電変換して電荷を生成する光電変換部と、
前記光電変換部で生成された電荷を保持する保持部と、
前記光電変換部で生成された電荷を蓄積する蓄積部と、
前記光電変換部で生成された電荷を前記蓄積部へ転送する第1転送路と、
前記光電変換部で生成された電荷を前記蓄積部へ前記保持部を介して転送する第2転送路と、
を備える撮像素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、撮像素子に関する。
【背景技術】
【0002】
グローバル電子シャッタ方式で駆動する撮像素子が知られている(特許文献1参照)。このような撮像素子では、ローリング電子シャッタ方式による信号読出しを行うことが困難である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0003】
【特許文献1】日本国特開2012-84644号公報
【発明の概要】
【0004】
発明の第1の態様によると、撮像素子は、光を光電変換して電荷を生成する光電変換部と、前記光電変換部で生成された電荷を保持する保持部と、前記光電変換部で生成された電荷を蓄積する蓄積部と、前記光電変換部で生成された電荷を前記蓄積部へ転送する第1転送路と、前記光電変換部で生成された電荷を前記蓄積部へ前記保持部を介して転送する第2転送路と、を備える。
【図面の簡単な説明】
【0005】
図1】デジタルカメラの構成例を示す図である。
図2】撮像素子の概要を説明する図である。
図3】撮像素子の画素の構成を説明する回路図である。
図4】画素における各部の配置を例示する図である。
図5】グローバルシャッタ動作における全体のタイミングを説明する図である。
図6】グローバルシャッタ動作時に各画素に供給される各種制御信号を説明するタイムチャートである。
図7図7(a)および図7(b)は、他のグローバルシャッタ動作における全体のタイミングを説明する図である。
図8】グローバル電子シャッタ動作時に各画素に供給される各種制御信号を説明するタイムチャートである。
図9】ローリングシャッタ動作における全体のタイミングを説明する図である。
図10図10(a)は、第1のローリングシャッタ動作時において、蓄積期間の開始時の各種制御信号を説明するタイムチャートであり、図10(b)は、蓄積期間から読出しへ移行時の各種制御信号を説明するタイムチャートである。
図11図11(a)は、第2のローリングシャッタ動作時において、蓄積期間の開始時の各種制御信号を説明するタイムチャートであり、図11(b)は、蓄積期間から読出しへ移行時の各種制御信号を説明するタイムチャートである。
図12図12(a)は、第3のローリングシャッタ動作時において、蓄積期間の開始時の各種制御信号を説明するタイムチャートであり、図12(b)は、蓄積期間から読出しへ移行時の各種制御信号を説明するタイムチャートである。
【発明を実施するための形態】
【0006】
本実施の形態による撮像素子は、グローバル電子シャッタ方式の動作(以下、グローバルシャッタ動作)と、ローリング電子シャッタ方式の動作(以下、ローリングシャッタ動作と称する)とを行うことが可能に構成される。グローバルシャッタ動作は、撮像素子に備わるフォトダイオードのリセットや、フォトダイオードにおける電荷の生成などを全ての行(すなわち全画素)において同時に行う駆動方式をいう。グローバルシャッタ動作の場合、各画素の蓄積開始のタイミングを同じにできるため、各行において蓄積の同時性を有する。
【0007】
一方、ローリングシャッタ動作は、撮像素子に備わるフォトダイオードのリセットや、フォトダイオードにおける電荷の生成などを行毎に行う駆動方式をいう。ローリングシャッタ動作の場合、各行の蓄積時間(電荷の生成時間)が同じでも、蓄積開始のタイミングが行毎に異なるため、各行において蓄積の同時性はない。
【0008】
以下、図面を参照して詳細に説明する。
図1は、一実施の形態による撮像素子101を備えるデジタルカメラの構成例を模式的に示す図である。デジタルカメラは、交換レンズ110とカメラボディ100とから構成され、交換レンズ110がレンズ取り付け部105を介してカメラボディ100に装着される。
なお、デジタルカメラをレンズ交換式ではなく、レンズ一体式のカメラとして構成してもよい。
【0009】
交換レンズ110は、例えば、レンズ制御部111、ズームレンズ112、フォーカスレンズ113、防振レンズ114、絞り115、レンズ操作部116などを備えている。レンズ制御部111は、CPUとメモリなどの周辺部品とを含む。レンズ制御部111は、フォーカスレンズ113および絞り115の駆動制御、ズームレンズ112やフォーカスレンズ113の位置検出、カメラボディ100へのレンズ情報の送信およびカメラボディ100からのカメラ情報の受信などを行う。
【0010】
カメラボディ100は、例えば、撮像素子101、ボディ制御部102、ボディ操作部103、および表示部104などを備えている。撮像素子101は、交換レンズ110の予定結像面(予定焦点面)に配置され、交換レンズ110により結像された被写体像を光電変換する。ボディ操作部103は、シャッターボタンや、各種設定のための操作部材などを含む。表示部104は、例えばカメラボディ100の背面に搭載された液晶モニタ(背面モニタとも称される)によって構成される。
【0011】
ボディ制御部102は、CPUとメモリなどの周辺部品とを含む。ボディ制御部102は、撮像素子101の駆動制御、撮像素子101からの画像信号の読み出し、焦点検出演算および交換レンズ110の焦点調節、画像信号の処理および記録などデジタルカメラの動作制御を行う。また、ボディ制御部102は、レンズ取り付け部105に設けられた電気接点106を介してレンズ制御部111と通信を行い、レンズ情報の受信およびカメラ情報(デフォーカス量や絞り値など)の送信を行う。
【0012】
交換レンズ110を通過した光束により、撮像素子101の受光面上に被写体像が形成される。この被写体像は撮像素子101によって光電変換され、光電変換後の信号がボディ制御部102へ送られる。
【0013】
ボディ制御部102は、撮像素子101からの信号に基づいて公知の焦点検出演算を行うことにより、交換レンズ110の焦点調節状態(デフォーカス量)を検出する。ボディ制御部102によって検出されたデフォーカス量は、レンズ制御部111へ送出される。
レンズ制御部111は、受信したデフォーカス量に基づいてフォーカスレンズ113の駆動量を算出する。そして、算出した駆動量に基づいて不図示のモーター等を駆動することにより、フォーカスレンズ113を合焦位置へ移動させる。
【0014】
また、ボディ制御部102は、撮像素子101からの信号を処理して画像データを生成し、不図示のメモリカードに格納する。ボディ制御部102はさらに、撮像素子101からの信号に基づくモニタ用画像(スルー画像とも称される)を表示部104に表示させる。
【0015】
<撮像素子の構成>
図2は、撮像素子101の概要を説明する模式図である。撮像素子101は、CMOSイメージセンサによって構成される。撮像素子101は、画素エリア201と、垂直制御部202と、水平制御部203と、出力部204と、制御部205とを有する。なお、図2では、電源部や詳細回路は省略している。
【0016】
画素エリア201には、例えば水平方向(行方向)および垂直方向(列方向)に二次元状に配置された複数の画素を有する。各画素は、入射光量に応じた電荷を生成するフォトダイオード(光電変換部)を有する。複数の画素は、それぞれが垂直制御部202および水平制御部203によって駆動され、各画素のフォトダイオードで生成された電荷に基づく信号が、垂直信号線210を介して読出される。
【0017】
出力部204は、各画素から読出された信号に対して相関二重サンプリング(CDS)を行ったり、必要に応じてゲインをかけたりする。出力部204で処理された信号は、後段の信号処理部(不図示)へ出力される。
【0018】
なお、以上の説明では、出力部204が後段の信号処理部へアナログ信号として出力する例を説明したが、出力部204にA/Dコンバータを備え、A/D変換後の信号をデジタル出力する構成にしてもよい。
また、出力部204は、垂直信号線210を介して読出された信号を、後段の信号処理部へ並列に出力する例を図示したが、出力部204において水平転送した上で、一つずつ後段の信号処理部へ出力するように構成してもよい。
【0019】
制御部205は、上述した撮像素子101の各部を制御する。すなわち、以降に説明する撮像素子101のグローバルシャッタ動作、ローリングシャッタ動作は、ボディ制御部102の指令を受けた制御部205の制御に基づいて行われる。
なお、本実施の形態では、フォトダイオードと、フォトダイオードで生成された電荷に基づく信号を読出す読出し部とを含めて「画素」と呼ぶ。読出し部は、後述する各転送トランジスタ、フローティングディフュージョン(FD)領域、増幅トランジスタ、および選択トランジスタを含む例を説明するが、読出し部の範囲は、必ずしも本例の通りでなくてもよい。
【0020】
図3は、撮像素子101の単位画素30の構成を説明する回路図である。図3では、1つの画素30につき、フォトダイオードPDと、拡散容量SCと、6つのトランジスタ(拡散容量転送トランジスタMEM、第1の転送トランジスタTx1、第2の転送トランジスタTx2、リセットトランジスタRST、増幅トランジスタSF、選択トランジスタSEL)と、FD領域とを有する。画素30の各部は、図3に示すように接続されている。図3において符号VDDは、電源電圧を示す。
【0021】
拡散容量転送トランジスタMEMは、フォトダイオードPDで生成された電荷を拡散容量SCへ転送する。拡散容量転送トランジスタMEMは、フォトダイオードPDで生成された電荷を拡散容量SCへ転送するための電極である。拡散容量転送トランジスタMEMは、制御信号φMEMがHighレベルになるとオンして電荷を転送し、制御信号φMEMがLowレベルになるとオフする。拡散容量SCは、拡散容量転送トランジスタMEMによってフォトダイオードPDから転送された電荷を保持する電荷保持部として機能する。
【0022】
第1の転送トランジスタTx1は、拡散容量SCに保持されている電荷をFD領域へ転送する。第1の転送トランジスタTx1は、制御信号φTx1がHighレベルになるとオンして電荷を転送し、制御信号φTx1がLowレベルになるとオフする。
【0023】
FD領域は、転送された電荷を電圧に変換する。増幅トランジスタSFは、ソースフォロワ回路を形成し、FD領域の電位に応じた信号を増幅する。リセットトランジスタRSTは、FD領域や、拡散容量SC、フォトダイオードPDの電荷をリセットする。リセットの動作の詳細については後述する。
【0024】
選択トランジスタSELは、行選択用のトランジスタであり、増幅トランジスタSFで増幅された信号を、対応する垂直信号線210へ出力する。選択トランジスタSELは、制御信号φSELがHighレベルになるとオンして信号を出力し、制御信号φSELがLowレベルになるとオフする。
【0025】
第2の転送トランジスタTx2は、フォトダイオードPDで生成された電荷をFD領域へ転送する。第2の転送トランジスタTx2は、制御信号φTx2がHighレベルになるとオンして電荷を転送し、制御信号φTx2がLowレベルになるとオフする。
【0026】
図4は、画素30における各部の配置を例示する図である。フォトダイオードPDの横に拡散容量転送トランジスタMEM(拡散容量SC)が配置される。拡散容量転送トランジスタMEM(拡散容量SC)は、遮光されている。FD領域は、第1の転送トランジスタTx1を介して拡散容量転送トランジスタMEM(拡散容量SC)に接続されるとともに、第2の転送トランジスタTx2を介してフォトダイオードPDに接続される。
【0027】
また、FD領域は、増幅トランジスタSFの制御端子と接続されるとともに、リセットトランジスタRSTを介して電源VDDと接続される。増幅トランジスタSFの出力端子は、選択トランジスタSELを介して垂直信号線210と接続される。
【0028】
上述したように、撮像素子101は、グローバルシャッタ動作とローリングシャッタ動作とを行うことが可能である。タイムチャートを参照して、それぞれの動作タイミングを説明する。以降の説明において、蓄積時間(電荷の生成時間)は、ボディ制御部102が公知の露出演算に基づいて決定する露光時間、または、ユーザがボディ操作部103を操作することによって決定された露光時間に対応する。また、蓄積期間の開始から終了までの時間が蓄積時間である。
【0029】
<グローバルシャッタ動作>
図5は、グローバルシャッタ動作の全体のタイミングを説明する図である。図5において、縦軸は画素エリア201(図2)に設けられた画素行、横軸は時間を示している。第PフレームにおいてフォトダイオードPDをリセットする時刻t1から、フォトダイオードPDで生成された電荷を拡散容量SCへ転送する時刻t2までの間が、第Pフレームの蓄積時間に相当する。フォトダイオードPDから拡散容量SCへ電荷を転送後、行毎に拡散容量SCから電荷の読出しが行われる。図5によれば、グローバルシャッタ動作では、PDリセット時点(t1)からPD→SC転送時点(t2)までの蓄積時間は各行で同時性がある。拡散容量SCからの電荷の読出しは行毎に行うため、読出し期間においては行間で時間差が生じる。
【0030】
次フレームである第P+1フレームにおいてフォトダイオードPDをリセットする時刻t1’から、フォトダイオードPDで生成された電荷を拡散容量SCへ転送する時刻t2’までの間が、第P+1フレームの蓄積時間に相当する。フォトダイオードPDから拡散容量SCへ電荷を転送後に、行毎に拡散容量SCからの電荷の読出しを行う点は、第Pフレームの場合と同様である。
【0031】
図6は、グローバルシャッタ動作時に撮像素子101の各画素30に供給される各種制御信号を説明するタイムチャートである。1フレーム期間は、蓄積期間と読出し期間とで構成される。
1.蓄積期間
制御部205は、画素エリア201(図2)内の全画素30に対して同時に蓄積を行わせるとともに、蓄積期間の始めにフォトダイオードPDのリセットを行わせる。
図6において、制御部205の指示により、制御信号φRSTとしてHighレベルのリセットパルスがリセットトランジスタRSTに供給される。これにより、リセットトランジスタRSTがオンしてFD領域の電位がリセットされる。
【0032】
続いて、制御部205の指示により、制御信号φTx2としてHighレベルのパルスが第2の転送トランジスタTx2に供給される。これにより、第2の転送トランジスタTx2がオンしてフォトダイオードPDに存在する不要電荷が排出される(PDリセット)。
撮像素子101に対して第2の転送トランジスタTx2を設けたことにより、第2の転送トランジスタTx2を設けない場合と比べてフォトダイオードPDのリセットを短時間で行うことができる。
リセット後のフォトダイオードPDは、入射光量に応じた電荷を生成し、蓄積する。
【0033】
蓄積中において、制御部205の指示により、制御信号φRSTとしてHighレベルのリセットパルスがリセットトランジスタRSTに供給される。これにより、リセットトランジスタRSTがオンしてFD領域の電位がリセットされる。続いて、制御部205の指示により、制御信号φTx1としてHIGHレベルのパルスが第1の転送トランジスタTx1に供給される。これにより、第1の転送トランジスタTx1がオンして拡散容量SCに存在する不要電荷が排出される(SCリセット)。
【0034】
拡散容量SCのリセット後において、制御部205の指示により、制御信号φMEMとしてHighレベルのパルスが拡散容量転送トランジスタMEMに供給される。これにより、拡散容量転送トランジスタMEMがオンしてフォトダイオードPDの電荷が拡散容量SCへ転送される。フォトダイオードPDから拡散容量SCへの電荷転送により、蓄積期間が終了する。
【0035】
2.読出し期間
制御部205は、画素エリア201(図2)内の全画素30の拡散容量SCから、行毎に順次電荷を読出す。図6において、破線で囲んだ範囲が読出し期間である。図6では1行分の読出しを説明する波形のみを図示して他の行の読出し波形の図示を省略したが、同様の読出しが行毎に行われる。
【0036】
図6において、制御部205の指示により、Highレベルの制御信号φSELが、選択トランジスタSELに所定時間、供給される。これにより、選択トランジスタSELが所定期間、オンする。また、制御信号φRSTとしてHighレベルのリセットパルスがリセットトランジスタRSTに供給される。これにより、リセットトランジスタRSTがオンしてFD領域の電位がリセットされる。そして、制御部205により、一点鎖線Darkで示す時点で、リセットレベルの信号が対応する垂直信号線210を介して読出される。
【0037】
続いて、制御部205の指示により、制御信号φTx1としてHighレベルの転送パルスが第1の転送トランジスタTx1に供給される。これにより、第1の転送トランジスタTx1がオンして拡散容量SCの電荷がFD領域へ転送される。そして、制御部205により、一点鎖線Sigで示す時点で、シグナルレベルの信号が対応する垂直信号線210を介して読出される。
【0038】
(他の動作例)
図5においては、1フレーム分の蓄積期間の終了を待ってから、読出し期間を開始し、読出し期間の終了を待ってから、次フレームの蓄積期間を開始した。
図5に代えて、前フレームの信号の読出し期間の終了を待たずに、次フレームの蓄積期間を開始するようにしてもよい。図7(a)および図7(b)は、どちらも他のグローバルシャッタ動作における全体のタイミングを説明する図である。例えば、連続して静止画を撮影する連写モードに設定されている場合や、動画を撮影する動画モードに設定されている場合には、図7(a)または図7(b)によるタイミングでグローバルシャッタ動作を行うとよい。
【0039】
図7(a)は、蓄積時間>読出し時間が成立する場合を説明する図であり、縦軸は画素エリア201(図2)に設けられた画素行、横軸は時間を示している。図7(a)によれば、第Pフレームの信号の読出し期間の終了を待たずに、時刻t1’において第P+1フレームの蓄積が開始される。すなわち、第P+1フレームの蓄積と第Pフレームの信号の読出しが並行して行われる。このため、図7(a)においては第P+1フレームの蓄積期間の中に第Pフレームの信号の読出し期間が含まれている。
【0040】
図7(b)は、蓄積時間<読出し時間が成立する場合を説明する図であり、縦軸は画素エリア201(図2)に設けられた画素行、横軸は時間を示している。図7(b)において、第Pフレームの信号の読出し期間の終了を待たずに第P+1フレームの蓄積を開始する点は図7(a)と同様であるが、第P+1フレームの蓄積期間において拡散容量SCに存在する不要電荷を排出(SCリセット)する前に、第Pフレームの信号の読出し期間が終了するように、第Pフレームの蓄積期間の終了時刻t2からの経過時間を図7(a)の場合よりも延ばした時刻t1’において第P+1フレームの蓄積が開始される。すなわち、第Pフレームの信号の読出し期間の開始よりも第P+1フレームの蓄積の開始が遅い。この場合、時刻t1’は前フレームの信号の読出し期間内となるので、第P+1フレームの蓄積期間の開始時においてフォトダイオードPDに存在する不要電荷を排出(PDリセット)する間、第Pフレームの信号の読出しを一旦中断し、PDリセット後に再開させる。
【0041】
図8は、図7(a)に対応するグローバルシャッタ動作時に撮像素子101の各画素30に供給される各種制御信号を説明するタイムチャートである。図6と同様に、破線で囲んだ範囲が読出し期間である。図8では1行分の読出しを説明する波形のみを図示して他の行の読出し波形の図示を省略したが、同様の読出しが行毎に行われる。
図8図6と比較すると、第Pフレームに対する読出しを開始する前に、第P+1フレームの蓄積が開始され、フォトダイオードPDに存在する不要電荷が排出(PDリセット)される。
【0042】
図7(b)に対応するグローバルシャッタ動作時のタイムチャートは図示を省略するが、図8における第P+1フレームのPDリセットが、第Pフレームに対する読出し期間内(破線で囲んだ範囲)において行われる。このため、図7(b)を参照して説明したように、第Pフレームの信号の読出しを一旦中断させて、中断している間に第P+1フレームのPDリセットを行わせる。
【0043】
<ローリングシャッタ動作>
図9は、ローリングシャッタ動作の全体のタイミングを説明する図である。図9において、縦軸は画素エリア201(図2)に設けられた画素行、横軸は時間を示している。例えば、第Pフレームの第1行においてフォトダイオードPDをリセットした時刻t1から、第1行のフォトダイオードPDで生成された電荷をFD領域へ転送する時刻t1eまでの間が、第1行の蓄積時間に相当する。フォトダイオードPDからFD領域へ電荷を転送した後は、この電荷に基づく信号の読出しが行われる。以上の動作が行毎に行われる。第N行においてフォトダイオードPDをリセットした時刻tNから、第N行のフォトダイオードPDで生成された電荷をFD領域へ転送する時刻tNeまでの間が、第N行の蓄積時間に相当する。
【0044】
図9によれば、ローリングシャッタ動作では、第1行から第N行までの蓄積時間が同じでも各行の蓄積に同時性はなく、行間で時間差が生じる。次フレームである第P+1フレーム以降も同様である。
本実施の形態では、3通りのローリングシャッタ動作が可能である。第1のローリング動作は、フォトダイオードPDの電荷が飽和した場合に溢れた電荷を拡散容量SCに蓄積し、フォトダイオードPDおよび拡散容量SCの電荷を同時にFD領域へ転送する動作である。FD領域の容量に余裕がある場合に適しており、ダイナミックレンジをかせぐことができる。なお、FD領域の容量は撮像素子101の設計時に決定される。
【0045】
第2のローリング動作は、フォトダイオードPDの電荷を拡散容量SCに転送し、拡散容量SCからFD領域へ電荷を転送する動作である。FD領域の容量に余裕がなくても、ダイナミックレンジをかせぐことができる。
【0046】
第3のローリング動作は、拡散容量転送トランジスタMEM(拡散容量SC)を経由せずに、フォトダイオードPDの電荷を直接FD領域へ転送する動作である。いずれのローリングシャッタ動作の場合も、全体のタイミングは図9に説明した通りである。
【0047】
(第1のローリング動作)
図10(a)および図10(b)は、第1のローリングシャッタ動作時において、撮像素子101の各画素30に供給される各種制御信号を説明するタイムチャートである。図10(a)は、蓄積期間の開始時の各種制御信号を説明するタイムチャートであり、図10(b)は、蓄積期間から読出しへ移行時の各種制御信号を説明するタイムチャートである。
【0048】
図10(a)において、制御部205は、画素エリア201(図2)内の画素行に対して順番に蓄積を行わせるとともに、蓄積期間の始めにフォトダイオードPDおよび拡散容量SCのリセットを行わせる。具体的には、制御部205の指示により、制御信号φRSTとしてHighレベルのリセットパルスがリセットトランジスタRSTに供給される。これにより、リセットトランジスタRSTがオンしてFD領域の電位がリセットされる。
【0049】
続いて、制御部205の指示により、制御信号φTx1および制御信号φTx2として、それぞれHighレベルのパルスが第1の転送トランジスタTx1および第2の転送トランジスタTx2に供給される。Highレベルのパルスが第2の転送トランジスタTx2に供給されることにより、第2の転送トランジスタTx2がオンしてフォトダイオードPDに存在する不要電荷が排出される(PDリセット)。また、Highレベルのパルスが第1の転送トランジスタTx1に供給されることにより、第1の転送トランジスタTx1がオンして拡散容量SCに存在する不要電荷が排出される(SCリセット)。
【0050】
さらに、制御部205の指示により、制御信号φMEMが、拡散容量転送トランジスタMEMの電極を中間電圧にするように制御される。拡散容量転送トランジスタMEMの電極を中間電圧にするのは、フォトダイオードPDから拡散容量SCへ電荷を溢れさせるためである。すなわち、リセット後のフォトダイオードPDが入射光量に応じた電荷を生成し、蓄積するが、仮にフォトダイオードPDが飽和して電荷が溢れる場合には、溢れた電荷を拡散容量SCに蓄積する。フォトダイオードPDと拡散容量SCとに電荷を蓄積するようにしたので、ダイナミックレンジをかせぐことができる。
【0051】
図10(b)において、制御部205は、蓄積期間の終期にFD領域のリセットを行わせる。具体的には、制御部205の指示により、制御信号φRSTとしてHighレベルのリセットパルスがリセットトランジスタRSTに供給される。これにより、リセットトランジスタRSTがオンしてFD領域の電位がリセットされる。そして、制御部205により、一点鎖線Darkで示す時点で、リセットレベルの信号が対応する垂直信号線210を介して読出される。
【0052】
第1のローリングシャッタ動作では、生成された電荷をフォトダイオードPDおよび拡散容量SCからFD領域へ一度に転送する。具体的には、制御部205の指示により、制御信号φTx1および制御信号φTx2として、それぞれHighレベルの転送パルスが第1の転送トランジスタTx1および第2の転送トランジスタTx2に供給される。これにより、第1の転送トランジスタTx1がオンして拡散容量SCに蓄積されている電荷がFD領域へ転送される。並行して、第2の転送トランジスタTx2がオンしてフォトダイオードPDに蓄積されている電荷がFD領域へ転送される。FD領域への電荷転送により、蓄積期間が終了する。そして、制御部205により、一点鎖線Sigで示す時点で、シグナルレベルの信号が対応する垂直信号線210を介して読出される。
【0053】
(第2のローリング動作)
図11(a)および図11(b)は、第2のローリングシャッタ動作時において、撮像素子101の各画素30に供給される各種制御信号を説明するタイムチャートである。図11(a)は、蓄積期間の開始時の各種制御信号を説明するタイムチャートであり、図11(b)は、蓄積期間から読出しへ移行時の各種制御信号を説明するタイムチャートである。
【0054】
図11(a)において、制御部205は、画素エリア201(図2)内の画素行に対して順番に蓄積を行わせるとともに、蓄積期間の始めにフォトダイオードPDおよび拡散容量SCのリセットを行わせる。制御信号φRSTと、制御信号φTx1および制御信号φTx2の波形は、図10(a)の場合と同様である。図11(a)において図10(a)と相違する点は、拡散容量転送トランジスタMEMの電極を中間電圧にしない点である。このように構成すると、リセット後に入射光量に応じた電荷を生成し、蓄積するフォトダイオードPDが飽和しても、電荷が拡散容量SCへ溢れることはない。
【0055】
図11(b)において、制御部205は、蓄積期間の終期にFD領域のリセットを行わせる。制御信号φRSTの波形は、図10(b)の場合と同様である。制御部205により、一点鎖線Darkで示す時点で、リセットレベルの信号が対応する垂直信号線210を介して読出される。
【0056】
第2のローリングシャッタ動作では、生成された電荷をフォトダイオードPDから拡散容量SCへ、さらに拡散容量SCからFD領域へとリレー形式で転送する。このために、第1の転送トランジスタTx1をオンさせる前に、拡散容量転送トランジスタMEMをオンさせる点と、第2の転送トランジスタTx2をオンさせない点とが、図10(b)と相違する。
【0057】
制御部205の指示により、制御信号φMEMとしてHighレベルのパルスが拡散容量転送トランジスタMEMに供給されると、拡散容量転送トランジスタMEMがオンしてフォトダイオードPDに蓄積されている電荷が拡散容量SCへ転送される。フォトダイオードPDから拡散容量SCへの電荷転送により、蓄積期間が終了する。その後、制御信号φTx1として、Highレベルの転送パルスが第1の転送トランジスタTx1に供給されると、第1の転送トランジスタTx1がオンして拡散容量SCに蓄積されている電荷がFD領域へ転送される。そして、制御部205により、一点鎖線Sigで示す時点で、シグナルレベルの信号が対応する垂直信号線210を介して読出される。
【0058】
(第3のローリング動作)
図12(a)および図12(b)は、第3のローリングシャッタ動作時において、撮像素子101の各画素30に供給される各種制御信号を説明するタイムチャートである。図12(a)は、蓄積期間の開始時の各種制御信号を説明するタイムチャートであり、図12(b)は、蓄積期間から読出しへ移行時の各種制御信号を説明するタイムチャートである。
【0059】
図12(a)において、制御部205は、画素エリア201(図2)内の画素行に対して順番に蓄積を行わせるとともに、蓄積期間の始めにフォトダイオードPDおよび拡散容量SCのリセットを行わせる。制御信号φRSTと、制御信号φTx1および制御信号φTx2の波形は、図11(a)の場合と同様である。
【0060】
図12(b)において、制御部205は、蓄積期間の終期にFD領域のリセットを行わせる。制御信号φRSTの波形は、図11(b)の場合と同様である。制御部205により、一点鎖線Darkで示す時点で、リセットレベルの信号が対応する垂直信号線210を介して読出される。
【0061】
第3のローリングシャッタ動作では、拡散容量転送トランジスタMEM(拡散容量SC)を用いることなしに、生成された電荷をフォトダイオードPDからFD領域へと直接転送する。このために、第1の転送トランジスタTx1および拡散容量転送トランジスタMEMをオンさせない点と、第2の転送トランジスタTx2をオンさせる点とが、図11(b)と相違する。
【0062】
制御部205の指示により、制御信号φTx2として、Highレベルの転送パルスが第2の転送トランジスタTx2に供給されると、第2の転送トランジスタTx2がオンしてフォトダイオードPDに蓄積されている電荷がFD領域へ転送される。フォトダイオードPDからFD領域への電荷転送により、蓄積期間が終了する。そして、制御部205により、一点鎖線Sigで示す時点で、シグナルレベルの信号が対応する垂直信号線210を介して読出される。
【0063】
ボディ制御部102は、上述した撮像素子101に対し、設定されているモードによりグローバルシャッタ動作を行わせるか、あるいは、ローリングシャッタ動作を行わせるかを決定する。例えば、ボディ制御部102は、シャッターボタンが押下されると静止画を撮影する単写モード、シャッターボタンが押下されている間に静止画を連続して撮影する連写モードに設定された場合には、撮像素子101にグローバルシャッタ動作を行わせる。静止画撮影の場合にローリングシャッタ動作を行うと、いわゆるローリングシャッタ歪み(動く被写体が歪んで写ること)が目立ちやすいからである。
一方、ボディ制御部102は、動画モードに設定された場合には、撮像素子101にローリングシャッタ動作を行わせる。
なお、動画を撮影する動画モードに設定された場合でも、撮像素子101にグローバルシャッタ動作を行わせてもよい。
【0064】
また、例えば、ボディ制御部102は、輝度が高い被写体から輝度が低い被写体を階調豊かに撮影する広ダイナミックレンジ(HDR)モードに設定された場合には、撮像素子101に第1のローリングシャッタ動作または第2のローリングシャッタ動作を行わせる。第1のローリングシャッタ動作と第2のローリングシャッタ動作は、適宜選択してかまわない。
【0065】
上述した実施の形態によれば、次の作用効果が得られる。
(1)撮像素子101が備える複数の画素30は、それぞれ、光を光電変換して電荷を生成するフォトダイオードPDと、フォトダイオードPDで生成された電荷を蓄積するFD領域と、フォトダイオードPDで生成された電荷を保持する拡散容量SCと、電荷をフォトダイオードPDからFD領域へ転送する第1転送路(第2の転送トランジスタTx2)と、電荷を、拡散容量SCを介してフォトダイオードPDからFD領域へ転送する第2転送路(第1の転送トランジスタTx1)とを有する。このように構成したので、フォトダイオードPDで生成された電荷を二つの転送ルートによりフォトダイオードPDからFD領域へ転送することができる。このため、例えばグローバルシャッタ動作や、ローリングシャッタ動作を適切に行わせることが可能になる。
【0066】
(2)撮像素子101の第1転送路(第2の転送トランジスタTx2)は、フォトダイオードPDから電荷を排出する経路を兼ねるようにしたので、拡散容量SCを介してフォトダイオードPDからFD領域へ転送する第2転送路のみを有する場合と比べて、短時間でフォトダイオードPDから電荷を排出(リセット)することができる。
【0067】
(3)撮像素子101の複数の画素30は、行方向および列方向に配置され、複数の行において電荷の排出が同時に行われるグローバルシャッタ動作、または、複数の行において電荷の排出が行毎に行われるローリングシャッタ動作により駆動制御されるように構成したので、二つの電子シャッタ動作を適切に行わせることが可能になる。
【0068】
(4)撮像素子101は、グローバルシャッタ動作を行う場合には、第2転送路(第1の転送トランジスタTx1)が選択されると、複数の行の画素30において、フォトダイオードPDで生成された電荷が同時に拡散容量SCへ転送され、拡散容量SCへ転送された電荷が行毎にFD領域へ転送される。このように構成したので、適切にグローバルシャッタ動作を行わせることができる。
【0069】
(5)グローバルシャッタ動作を行う場合の撮像素子101は、複数の行の画素30において、フォトダイオードPDで生成された電荷が拡散容量SCへ転送されると、拡散容量SCからFD領域への転送が開始される前に、複数の行の画素30において電荷の排出が行われるように構成したので、次のフレームのための光電変換をより早く開始させることができる。
【0070】
(6)撮像素子101は、第1のローリングシャッタ動作を行う場合には、第1転送路(第2の転送トランジスタTx2)および第2転送路(第1の転送トランジスタTx1)が選択されると、複数の行の画素30において、フォトダイオードPDで生成された電荷が行毎に、第1転送路によりFD領域へ転送されるとともに、第2転送路により拡散容量SCを介してFD領域蓄積部へ転送される。このように構成したので、第1のローリングシャッタ動作において、2つのルートにより並行して効率よく電荷を転送することができる。
【0071】
(7)第1のローリングシャッタ動作を行う場合、撮像素子101の拡散容量SCは、フォトダイオードPDから溢れた電荷を保持するように構成したので、フォトダイオードPDから溢れた電荷を無駄に捨ててしまう場合よりもダイナミックレンジをかせぐことができる。
【0072】
(8)撮像素子101は、第2のローリングシャッタ動作を行う場合には、第2転送路(第1の転送トランジスタTx1)選択されると、複数の画素30のフォトダイオードPDで生成された電荷が行毎に、拡散容量SCへ転送され、拡散容量SCへ転送された電荷がFD領域へ転送される。このように構成したので、拡散容量SCを介さないで転送する場合と比べてダイナミックレンジをかせぐことができる。(9)撮像素子101は、第3のローリングシャッタ動作を行う場合には、第1転送路(第2の転送トランジスタTx2)が選択されると、複数の画素30のフォトダイオードPDで生成された電荷が行毎に、FD領域へ転送される。このように構成したので、上記(6)から(8)とは異なる態様でローリングシャッタ動作を行わせることができる。
【0073】
以上の説明では、撮像素子101をデジタルカメラに搭載する例を説明したが、撮像素子101は、デジタルカメラ以外にもスマートフォンやタブレット端末、ウェアラブル端末等の電子機器に搭載してもよい。
【0074】
本発明は、上述した実施形態の内容に限定されるものではない。本発明の技術的思想の範囲内で考えられるその他の態様も本発明の範囲内に含まれる。
【0075】
次の優先権基礎出願の開示内容は引用文としてここに組み込まれる。
日本国特許出願2017年第192167号(2017年9月29日出願)
【符号の説明】
【0076】
30…画素
100…カメラボディ
101…撮像素子
102…ボディ制御部
201…画素エリア
202…垂直制御部
203…水平制御部
204…出力部
205…制御部
210…垂直信号線
MEM…拡散容量転送トランジスタ
PD…フォトダイオード
SC…拡散容量
SF…増幅トランジスタ
Tx1…第1の転送トランジスタ
Tx2…第2の転送トランジスタ
図1
図2
図3
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