(57)【要約】  本技術は、十分にダイナミックレンジを拡大し、かつより高品質な画像を得ることができるようにする固体撮像素子および駆動方法、並びに電子機器に関する。単位画素には、第１光電変換部と第２光電変換部とが設けられている。また、第２光電変換部には、第２転送ゲート部を介して電荷蓄積部が接続されており、第２光電変換部における光電変換により得られた電荷が、第２転送ゲート部を介して電荷蓄積部に転送される。また、第２光電変換部にはアンチブルーミングゲート部が接続されており、第２光電変換部をリセットすることができる。したがって、単位画素では、１フレーム期間において、第２光電変換部の露光動作と、第２光電変換部で得られた電荷を転送する転送動作とを複数回繰り返すバースト駆動が可能となっている。本技術は車載カメラに適用することができる。
2017006781.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の単位画素が配置されている画素アレイ部と、
前記単位画素の動作を制御する駆動部と
を備え、
前記単位画素は複数の光電変換部を有し、
前記複数の前記光電変換部のうちの１または複数の前記光電変換部には、前記光電変換部ごとに、
前記光電変換部における光電変換により得られた電荷を転送する転送ゲートと、
前記転送ゲートを介して前記光電変換部から転送された電荷を蓄積する電荷蓄積部と、
前記光電変換部をリセットするアンチブルーミングゲート部と
が接続されている
固体撮像素子。
【請求項２】
前記駆動部は、前記１または複数の前記光電変換部について、１フレーム期間において前記光電変換部をリセットしてから前記光電変換部の露光を行う露光動作と、前記露光により得られた電荷を前記電荷蓄積部に転送する転送動作とを複数回繰り返すバースト駆動を行う
請求項１に記載の固体撮像素子。
【請求項３】
前記駆動部は、前記露光動作時の露光時間を変化させながら前記バースト駆動を行う
請求項２に記載の固体撮像素子。
【請求項４】
前記駆動部は、前記バースト駆動による複数回の前記露光の重心位置と、前記バースト駆動を行わない前記光電変換部の露光の重心位置とが略一致するように、前記バースト駆動を行わない前記光電変換部の露光を制御する
請求項２に記載の固体撮像素子。
【請求項５】
前記駆動部は、前記光電変換部の露光が所定のパルス光源の発光に同期するように、前記光電変換部の露光を制御する
請求項１に記載の固体撮像素子。
【請求項６】
前記駆動部は、所定のパルス光源の発光タイミングに基づいて前記光電変換部の露光を制御することで、光飛行時間計測法による測距を制御する
請求項１に記載の固体撮像素子。
【請求項７】
前記駆動部は、より感度の低い前記光電変換部によって、より近距離にある対象物が検出され、より感度の高い前記光電変換部によって、より遠距離にある対象物が検出されるように、前記光電変換部の露光を制御する
請求項６に記載の固体撮像素子。
【請求項８】
複数の単位画素が配置されている画素アレイ部と、
前記単位画素の動作を制御する駆動部と
を備え、
前記単位画素は複数の光電変換部を有し、
前記複数の前記光電変換部のうちの１または複数の前記光電変換部には、前記光電変換部ごとに、
前記光電変換部における光電変換により得られた電荷を転送する転送ゲートと、
前記転送ゲートを介して前記光電変換部から転送された電荷を蓄積する電荷蓄積部と、
前記光電変換部をリセットするアンチブルーミングゲート部と
が接続されている固体撮像素子の駆動方法であって、
前記駆動部が、前記１または複数の前記光電変換部について、１フレーム期間において前記光電変換部をリセットしてから前記光電変換部の露光を行う露光動作と、前記露光により得られた電荷を前記電荷蓄積部に転送する転送動作とを複数回繰り返すバースト駆動を行う
ステップを含む駆動方法。
【請求項９】
複数の単位画素が配置されている画素アレイ部と、
前記単位画素の動作を制御する駆動部と
を備える固体撮像素子を有し、
前記単位画素は複数の光電変換部を有し、
前記複数の前記光電変換部のうちの１または複数の前記光電変換部には、前記光電変換部ごとに、
前記光電変換部における光電変換により得られた電荷を転送する転送ゲートと、
前記転送ゲートを介して前記光電変換部から転送された電荷を蓄積する電荷蓄積部と、
前記光電変換部をリセットするアンチブルーミングゲート部と
が接続されている
電子機器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本技術は固体撮像素子および駆動方法、並びに電子機器に関し、特に、十分にダイナミックレンジを拡大し、かつより高品質な画像を得ることができるようにした固体撮像素子および駆動方法、並びに電子機器に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、画像を撮影するにあたり、画像のダイナミックレンジを拡大するHDR（High Dynamic Range）合成と呼ばれる技術が知られている。【０００３】
そのような技術として、例えば感度が異なる受光素子を設け、それらの受光素子のそれぞれで撮影して得られた複数の画像を合成することによりダイナミックレンジを拡大する技術が提案されている（例えば、特許文献１および特許文献２参照）。【０００４】
また、長時間露光により得られた画像と、短時間露光により得られた画像とを合成することでダイナミックレンジを拡大する技術や、受光素子に付加容量を設けて蓄積可能な電荷量を増やすことによりダイナミックレンジを拡大する技術も提案されている。【０００５】
さらには、感度が異なる受光素子を設けるだけでなく、それらの受光素子の感度差だけでは不足する感度比を、受光素子の露光時間を制御することで補うものもある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特許第３０７１８９１号公報
【特許文献２】特開２００６−２５３８７６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら上述した技術では、十分にダイナミックレンジを拡大し、かつ高品質な画像を得ることが困難であった。【０００８】
例えば感度の異なる受光素子のみを用いてダイナミックレンジを拡大する場合、それらの受光素子間の距離が短いと、受光素子間で混色が多くなるので、構造的に受光素子間で十分な感度比を得ることが困難であった。そうすると、十分にダイナミックレンジを拡大することができなくなってしまう。しかも、感度の異なる受光素子のみを用いる場合や、受光素子に付加容量を設ける場合には、画素構造によりHDR合成時の合成比が決まってしまうため、自由度が低かった。【０００９】
また、感度の異なる受光素子を用いる場合、露光時間が長くなるとモーションブラーが発生し、動被写体の解像度が低下してしまうこともある。【００１０】
さらに、露光時間を制御してダイナミックレンジを拡大する場合、例えばLED（Light Emitting Diode）道路標識などのパルス発光光源を被写体とするときには、フリッカ現象が発生し、十分な品質の画像を得ることができなくなってしまう。【００１１】
本技術は、このような状況に鑑みてなされたものであり、十分にダイナミックレンジを拡大し、かつより高品質な画像を得ることができるようにするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本技術の第１の側面の固体撮像素子は、複数の単位画素が配置されている画素アレイ部と、前記単位画素の動作を制御する駆動部とを備え、前記単位画素は複数の光電変換部を有し、前記複数の前記光電変換部のうちの１または複数の前記光電変換部には、前記光電変換部ごとに、前記光電変換部における光電変換により得られた電荷を転送する転送ゲートと、前記転送ゲートを介して前記光電変換部から転送された電荷を蓄積する電荷蓄積部と、前記光電変換部をリセットするアンチブルーミングゲート部とが接続されている。【００１３】
前記駆動部には、前記１または複数の前記光電変換部について、１フレーム期間において前記光電変換部をリセットしてから前記光電変換部の露光を行う露光動作と、前記露光により得られた電荷を前記電荷蓄積部に転送する転送動作とを複数回繰り返すバースト駆動を行わせることができる。【００１４】
前記駆動部には、前記露光動作時の露光時間を変化させながら前記バースト駆動を行わせることができる。【００１５】
前記駆動部には、前記バースト駆動による複数回の前記露光の重心位置と、前記バースト駆動を行わない前記光電変換部の露光の重心位置とが略一致するように、前記バースト駆動を行わない前記光電変換部の露光を制御させることができる。【００１６】
前記駆動部には、前記光電変換部の露光が所定のパルス光源の発光に同期するように、前記光電変換部の露光を制御させることができる。【００１７】
前記駆動部には、所定のパルス光源の発光タイミングに基づいて前記光電変換部の露光を制御することで、光飛行時間計測法による測距を制御させることができる。【００１８】
前記駆動部には、より感度の低い前記光電変換部によって、より近距離にある対象物が検出され、より感度の高い前記光電変換部によって、より遠距離にある対象物が検出されるように、前記光電変換部の露光を制御させることができる。【００１９】
本技術の第１の側面の駆動方法は、複数の単位画素が配置されている画素アレイ部と、前記単位画素の動作を制御する駆動部とを備え、前記単位画素は複数の光電変換部を有し、前記複数の前記光電変換部のうちの１または複数の前記光電変換部には、前記光電変換部ごとに、前記光電変換部における光電変換により得られた電荷を転送する転送ゲートと、前記転送ゲートを介して前記光電変換部から転送された電荷を蓄積する電荷蓄積部と、前記光電変換部をリセットするアンチブルーミングゲート部とが接続されている固体撮像素子の駆動方法であって、前記駆動部が、前記１または複数の前記光電変換部について、１フレーム期間において前記光電変換部をリセットしてから前記光電変換部の露光を行う露光動作と、前記露光により得られた電荷を前記電荷蓄積部に転送する転送動作とを複数回繰り返すバースト駆動を行うステップを含む。【００２０】
本技術の第１の側面においては、固体撮像素子に、複数の単位画素が配置されている画素アレイ部と、前記単位画素の動作を制御する駆動部とが設けられ、前記単位画素は複数の光電変換部を有し、前記複数の前記光電変換部のうちの１または複数の前記光電変換部には、前記光電変換部ごとに、前記光電変換部における光電変換により得られた電荷を転送する転送ゲートと、前記転送ゲートを介して前記光電変換部から転送された電荷を蓄積する電荷蓄積部と、前記光電変換部をリセットするアンチブルーミングゲート部とが接続されている。【００２１】
本技術の第２の側面の電子機器は、本技術の第１の側面の固体撮像素子と同様の構成とすることができる。
【発明の効果】
【００２２】
本技術の第１の側面および第２の側面によれば、十分にダイナミックレンジを拡大し、かつより高品質な画像を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】固体撮像素子の構成例を示す図である。
【図２】画素の構成例を示す図である。
【図３】画素の露光制御について説明する図である。
【図４】画素の露光制御について説明する図である。
【図５】露光時の駆動について説明するタイミングチャートである。
【図６】画素信号の読み出し時の駆動について説明するタイミングチャートである。
【図７】画素の他の構成例を示す図である。
【図８】画素の他の構成例を示す図である。
【図９】画素の他の構成例を示す図である。
【図１０】画素の駆動について説明するタイミングチャートである。
【図１１】画素の他の構成例を示す図である。
【図１２】画素の駆動について説明するタイミングチャートである。
【図１３】撮像装置の構成例を示す図である。
【図１４】固体撮像素子を使用する使用例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
以下、図面を参照して、本技術を適用した実施の形態について説明する。
【００２５】
〈第１の実施の形態〉
〈固体撮像素子の構成例〉
本技術は、複数の光電変換部を利用してHDR合成を行う場合に、１または複数の光電変換部について、光電変換部に転送ゲートを介して電荷蓄積部を設けるとともに、光電変換部にリセットゲート（アンチブルーミングゲート）を設けてバースト駆動を行うことで、十分にダイナミックレンジを拡大し、かつより高品質な画像を得ることができるようにするものである。本技術は、例えば車載カメラなどに適用することができる。
【００２６】
図１は、本技術を適用した固体撮像素子の構成例を示す図である。
【００２７】
図１に示す固体撮像素子１１は、例えばCMOS（Complementary Metal Oxide Semiconductor）イメージセンサなどからなる。
【００２８】
固体撮像素子１１は、図示せぬ半導体基板（チップ）上に形成された画素アレイ部２１と、画素アレイ部２１と同じ半導体基板上に集積された周辺回路部とを有する構成となっている。周辺回路部は、例えば垂直駆動部２２、カラム処理部２３、水平駆動部２４、およびシステム制御部２５から構成されている。
【００２９】
固体撮像素子１１は更に、信号処理部２８およびデータ格納部２９を備えている。信号処理部２８およびデータ格納部２９については、固体撮像素子１１と同じ基板上に搭載してもよいし、固体撮像素子１１とは別の基板上に配置するようにしてもよい。
【００３０】
また、信号処理部２８およびデータ格納部２９の各処理については、固体撮像素子１１とは別の基板に設けられる外部信号処理部、例えば、DSP（Digital Signal Processor）回路やソフトウェアによる処理でも構わない。
【００３１】
画素アレイ部２１は、受光した光量に応じた電荷を生成し、かつ蓄積する光電変換部を有する単位画素（以下、単に画素と記述する場合もある）が行方向および列方向に、すなわち行列状に２次元配置された構成となっている。
【００３２】
ここで、行方向とは画素行の画素の配列方向（すなわち、水平方向）をいい、列方向とは画素列の画素の配列方向（すなわち、垂直方向）をいう。つまり、行方向は図中、横方向であり、列方向は図中、縦方向である。
【００３３】
画素アレイ部２１において、行列状の画素配列に対して、画素行ごとに画素駆動線２６が行方向に沿って配線され、画素列ごとに１つまたは２つの垂直信号線２７が列方向に沿って配線されている。画素駆動線２６は、画素から信号を読み出す際の駆動を行うための駆動信号を伝送する。なお、図１では、画素駆動線２６について１本の配線として示しているが、１本に限られるものではない。画素駆動線２６の一端は、垂直駆動部２２の各行に対応した出力端に接続されている。
【００３４】
垂直駆動部２２は、シフトレジスタやアドレスデコーダなどによって構成され、画素アレイ部２１の各画素を全画素同時あるいは行単位等で駆動する。すなわち、垂直駆動部２２は、垂直駆動部２２を制御するシステム制御部２５とともに、画素アレイ部２１の各画素の動作を制御する駆動部を構成している。この垂直駆動部２２はその具体的な構成については図示を省略するが、一般的に、読出し走査系と掃出し走査系の２つの走査系を有する構成となっている。
【００３５】
垂直駆動部２２によって選択走査された画素行の各単位画素から出力される信号は、画素列ごとに垂直信号線２７を通してカラム処理部２３に入力される。カラム処理部２３は、画素アレイ部２１の画素列ごとに、選択行の各画素から垂直信号線２７を通して出力される信号に対して所定の信号処理を行うとともに、信号処理後の画素信号を一時的に保持する。
【００３６】
具体的には、カラム処理部２３は、信号処理としてノイズ除去処理、DDS（Double Data Sampling）やCDS（Correlated Double Sampling）等のサンプリング処理、AD（Analog Digital）変換処理などを行う。
【００３７】
水平駆動部２４は、シフトレジスタやアドレスデコーダなどによって構成され、カラム処理部２３の画素列に対応する単位回路を順番に選択する。この水平駆動部２４による選択走査により、カラム処理部２３において単位回路ごとに信号処理された画素信号が順番に出力される。
【００３８】
システム制御部２５は、各種のタイミング信号を生成するタイミングジェネレータなどによって構成され、そのタイミングジェネレータで生成された各種のタイミングを基に、垂直駆動部２２、カラム処理部２３、および水平駆動部２４などの駆動制御を行う。
【００３９】
信号処理部２８は、少なくとも演算処理機能を有し、カラム処理部２３から出力される画素信号に対して演算処理等の種々の信号処理を行う。データ格納部２９は、信号処理部２８での信号処理に当たって、その処理に必要なデータを一時的に格納する。
【００４０】
〈画素の構成例〉
次に、画素アレイ部２１に設けられた単位画素の構成について説明する。画素アレイ部２１に設けられた単位画素は、例えば図２に示すように構成される。なお、図２において、図１における場合と対応する部分には同一の符号を付してあり、その説明は適宜省略する。
【００４１】
単位画素である画素５１は、第１光電変換部６１、第１転送ゲート部６２、FD部６３、第２光電変換部６４、アンチブルーミングゲート部６５、第２転送ゲート部６６、電荷蓄積部６７、第３転送ゲート部６８、第４転送ゲート部６９、リセットゲート部７０、増幅トランジスタ７１、および選択トランジスタ７２を有している。
【００４２】
また、画素５１に対して、画素駆動線２６として例えば複数の駆動線が画素行毎に配線される。そして、垂直駆動部２２から複数の駆動線を介して、第１転送ゲート部６２、アンチブルーミングゲート部６５、第２転送ゲート部６６、第３転送ゲート部６８、第４転送ゲート部６９、リセットゲート部７０、および選択トランジスタ７２のそれぞれに、駆動信号TGL、駆動信号ABG、駆動信号TGS、駆動信号FDG、駆動信号FCG、駆動信号RST、および駆動信号SELのそれぞれが供給される。
【００４３】
これらの駆動信号は、高レベル（例えば、電源電圧VDD）の状態がアクティブ状態となり、低レベルの状態（例えば、負電位）が非アクティブ状態となるパルス信号である。すなわち、駆動信号TGL乃至駆動信号SELの各駆動信号が高レベルとされると、その供給先のトランジスタは導通状態、つまりオン状態となり、各駆動信号が低レベルとされると、その供給先のトランジスタは非導通状態、つまりオフ状態となる。
【００４４】
第１光電変換部６１は、例えばPN接合のフォトダイオードからなる。第１光電変換部６１は、入射した光を受光して光電変換し、その結果得られた電荷を蓄積する。
【００４５】
第１転送ゲート部６２は、第１光電変換部６１とFD部６３との間に設けられており、第１転送ゲート部６２のゲート電極には駆動信号TGLが供給される。この駆動信号TGLが高レベルとなると、第１転送ゲート部６２がオンされて、第１光電変換部６１に蓄積されている電荷が、第１転送ゲート部６２を介してFD部６３に転送される。
【００４６】
FD部６３は、フローティングディフージョンと呼ばれる浮遊拡散領域であり、転送されてきた電荷を蓄積する。
【００４７】
第２光電変換部６４は、第１光電変換部６１と同様に、例えばPN接合のフォトダイオードからなり、入射した光を受光して光電変換し、その結果得られた電荷を蓄積する。
【００４８】
第１光電変換部６１と第２光電変換部６４を比較すると、第１光電変換部６１の方が受光面の面積が広く、感度が高く、第２光電変換部６４の方が受光面の面積が狭く、感度が低い。
【００４９】
アンチブルーミングゲート部６５は、第２光電変換部６４と電源VDDとの間に接続されている。アンチブルーミングゲート部６５のゲート電極に供給される駆動信号ABGが高レベルとされると、アンチブルーミングゲート部６５がオンされて、第２光電変換部６４に蓄積されている電荷がアンチブルーミングゲート部６５を介して排出される。すなわち、第２光電変換部６４の電位が電源の電圧（以下、電源電圧VDDとも称する）のレベルにリセットされる。
【００５０】
第２転送ゲート部６６は、第２光電変換部６４と電荷蓄積部６７との間に接続されており、第２転送ゲート部６６のゲート電極には駆動信号TGSが供給される。駆動信号TGSが高レベルとされると、第２転送ゲート部６６がオンされて、第２光電変換部６４に蓄積されている電荷が、第２転送ゲート部６６を介して電荷蓄積部６７に転送される。
【００５１】
また、第２転送ゲート部６６のゲート電極の下部は、ポテンシャルが若干深くなっており、第２光電変換部６４の飽和電荷量を超え、第２光電変換部６４から溢れた電荷を電荷蓄積部６７に転送するオーバーフローパスが形成されている。
【００５２】
電荷蓄積部６７は、例えばキャパシタからなり、第４転送ゲート部６９と第２転送ゲート部６６との間に接続されている。また、電荷蓄積部６７の対向電極は電源電圧VDDを供給する電源VDDに接続されている。電荷蓄積部６７は、第２光電変換部６４から転送される電荷を蓄積する。
【００５３】
なお、ここでは電荷蓄積部６７が電源VDDに接続される例について説明するが、電荷蓄積部６７はキャパシタであるため、電源VDDではなくグランドGNDに接続されるようにしてもよい。
【００５４】
第３転送ゲート部６８は、第４転送ゲート部６９およびリセットゲート部７０と、FD部６３との間に接続されており、第３転送ゲート部６８のゲート電極には、駆動信号FDGが供給される。駆動信号FDGが高レベルとされると、第３転送ゲート部６８がオンされて、第４転送ゲート部６９、リセットゲート部７０、および第３転送ゲート部６８の間のノード８１と、FD部６３とが電気的に接続される。すなわち、ノード８１とFD部６３とのポテンシャルが結合する。
【００５５】
第４転送ゲート部６９は、電荷蓄積部６７とノード８１との間に接続されており、第４転送ゲート部６９のゲート電極には駆動信号FCGが供給される。駆動信号FCGが高レベルとされると第４転送ゲート部６９がオンされて、電荷蓄積部６７とノード８１とが電気的に接続される。すなわち、電荷蓄積部６７とノード８１のポテンシャルが結合する。
【００５６】
リセットゲート部７０は、電源VDDとノード８１との間に接続されており、リセットゲート部７０のゲート電極には駆動信号RSTが供給される。駆動信号RSTが高レベルとされるとリセットゲート部７０がオンされてノード８１の電位が、電源電圧VDDのレベルにリセットされる。
【００５７】
増幅トランジスタ７１は、ゲート電極がFD部６３に接続され、ドレインが電源VDDに接続されており、FD部６３に保持されている電荷に対応する信号を読み出す読出し回路、所謂ソースフォロワ回路の入力部となる。すなわち、増幅トランジスタ７１は、ソースが選択トランジスタ７２を介して垂直信号線２７に接続されることにより、その垂直信号線２７の一端に接続される定電流源８２とソースフォロワ回路を構成する。
【００５８】
選択トランジスタ７２は、増幅トランジスタ７１のソースと垂直信号線２７との間に接続されており、選択トランジスタ７２のゲート電極には駆動信号SELが供給される。駆動信号SELが高レベルとされると、選択トランジスタ７２がオンされて画素５１が選択状態となる。これにより、増幅トランジスタ７１から出力される画素信号が、選択トランジスタ７２を介して、垂直信号線２７に出力される。
【００５９】
なお、以下、各駆動信号がアクティブ状態、つまり高レベルとなることを、各駆動信号がオンするともいい、各駆動信号が非アクティブ状態、つまり低レベルとなることを、各駆動信号がオフするともいう。
【００６０】
〈第２光電変換部のバースト駆動について〉
ところで、固体撮像素子１１では、第１光電変換部６１と第２光電変換部６４とで露光が行われ、それらの各光電変換部の露光で得られた画素信号がHDR合成されて最終的な撮影画像の画素の画素信号とされる。
【００６１】
固体撮像素子１１では、画素アレイ部２１の各画素５１内に設けられた第２光電変換部６４に対して、第２転送ゲート部６６を介して電荷蓄積部６７が接続されている。また、第２光電変換部６４にはアンチブルーミングゲート部６５が接続されている。
【００６２】
そのため、固体撮像素子１１では、垂直駆動部２２による駆動制御によって、第２光電変換部６４のバースト駆動が可能となる。すなわち、１フレームの期間において、第２光電変換部６４をリセットしてから第２光電変換部６４の露光を行う露光動作と、その後、露光で得られた電荷を電荷蓄積部６７に転送して蓄積させる転送動作とを、任意のタイミングでかつ任意の回数だけ繰り返し行うことができる。ここで、１フレーム期間とは、固体撮像素子１１が撮影画像の撮影を行なうときの１フレーム分の撮影画像を取得する期間である。
【００６３】
このようにすることで、１フレーム期間内の第２光電変換部６４での露光の合計時間を任意に変更することができる。これにより、第１光電変換部６１と第２光電変換部６４の感度比を十分に確保し、撮影画像のダイナミックレンジを十分に拡大することができる。しかも、このようなバースト駆動により、第１光電変換部６１と第２光電変換部６４の感度比、つまり画素信号の合成比を任意に変更することができるため、HDR合成時の自由度を向上させることができる。
【００６４】
また、１フレーム期間内の第２光電変換部６４での露光の合計時間を任意に変更したり、１フレーム期間における第２光電変換部６４での全露光時間に対する、所定期間内における露光時間の割合を高くしたりすることで、被写体のぼけを抑制することができる。すなわち、モーションブラーの発生を抑制することができる。
【００６５】
さらに、１フレーム期間内の第２光電変換部６４での露光タイミングをパルス光源の発光タイミングに同期させたり、第２光電変換部６４での露光タイミングをずらしながら１フレーム期間で複数回に分けて露光を行ったりすることで、パルス光源を捉えることができる。その結果、フリッカの発生を抑制することができる。
【００６６】
このように第２光電変換部６４をバースト駆動することで、モーションブラーやフリッカの発生を抑制し、より高品質な撮影画像を得ることができる。
【００６７】
次に、第２光電変換部６４のバースト駆動について、より具体的に説明する。
【００６８】
以下では、例として、例えば車両の前方を撮影し、得られた撮影画像から白線や道路信号機、LED道路標識、対向車両などを検出する車載カメラに固体撮像素子１１が搭載される場合について説明する。特に、パルス光源を捉える例として、LEDを光源とする道路信号機について説明する。
【００６９】
近年、LEDを光源とする道路信号機が増加してきており、その駆動は商用AC電源の全波整流によるパルス発光が一般的であり、例えば図３に示すように、西日本においては60×2=120Hzの交流駆動となり、東日本においては50×2=100Hzの交流駆動となる。
【００７０】
なお、図３において横軸は時間を示している。また、期間T11および期間T12は、固体撮像素子１１により撮影される撮影画像の１フレームの期間を示している。この例では、撮影画像のフレームレートは60Hzとなっているため、期間T11および期間T12は1/60秒の区間となっている。
【００７１】
さらに図３において、折れ線L11および折れ線L12は、東日本での道路信号機の発光タイミング、および西日本での道路信号機の発光タイミングを示している。特に、折れ線L11および折れ線L12のそれぞれが上に突となっている期間は、道路信号機が発光している期間を示している。
【００７２】
また、折れ線L13および折れ線L14は、第１光電変換部６１の露光タイミング、および第２光電変換部６４での露光タイミングを示している。特に、折れ線L13および折れ線L14のそれぞれが上に突となっている期間が露光期間を示している。
【００７３】
さらに折れ線L15および折れ線L16は、駆動信号TGSおよび駆動信号ABGを示している。ここで、各駆動信号が上に突となっている状態が駆動信号がオンとなっている状態、つまりアクティブ状態を示している。
【００７４】
図３では、折れ線L11および折れ線L12に示されるように、LED光源の道路信号機は西日本では120Hzの交流駆動となり、東日本では100Hzの交流駆動となっている。
【００７５】
この場合、一般的な60fpsのカメラでは、１フレーム期間内に１度の高速シャッタ露光が行われる。そのため、カメラの露光タイミングが、道路信号機の無発光のタイミングと一致したときには、道路信号機の発光（点灯）がカメラにより撮影されない、つまり撮影された撮影画像では道路信号機の発光が写っていない状態となってしまう。
【００７６】
これに対して、固体撮像素子１１では、第２光電変換部６４のバースト駆動を行い、撮影画像のフレーム読み出し周期とは異なる周波数および位相で受光（露光）を行うことで道路信号機のLEDパルス発光によるフリッカの発生を抑制することができる。
【００７７】
なお、発光光源被写体である道路信号機は高輝度であるので、より感度の低い第２光電変換部６４のみバースト駆動を行うだけでも必要十分な効果を得ることができる。
【００７８】
具体的には、図３に示す例では駆動信号ABGがオンからオフへと切り替わって、第２光電変換部６４のリセットが解除されたタイミングで第２光電変換部６４の露光が開始される。そして、駆動信号TGSがオンとなって、露光により第２光電変換部６４に蓄積された電荷が電荷蓄積部６７に転送された時点で露光期間が終了する。
【００７９】
例えば１フレーム分の期間である期間T11では、第２光電変換部６４の露光と非露光が交互に繰り返され、１フレーム期間内における露光期間の合計の長さ（以下、合計露光時間と称する）と、非露光期間の合計の長さ（以下、合計非露光時間と称する）とが同じ長さとなっている。この例では、１フレーム期間内における第２光電変換部６４の合計露光時間を１フレーム期間の半分の時間とすることで、HDR合成比（感度比）が２倍に拡大されている。
【００８０】
また、この例では第２光電変換部６４の非露光期間と、その非露光期間に続く露光期間の長さが等しくなっている。さらに、第２光電変換部６４の各露光期間の長さは異なる長さとなっている。すなわち、垂直駆動部２２は、適宜、第２光電変換部６４の露光時間を変化させながら画素５１を駆動することで、第２光電変換部６４の非線形なバースト駆動を実現する。
【００８１】
特に、ここでは第２光電変換部６４のバースト駆動が、東日本の道路信号機のパルス発光タイミング、すなわち100Hzのパルス発光光源に同期しており、東日本の道路信号機の発光タイミングに合わせて、第２光電変換部６４の露光が行われている。
【００８２】
そのため、東日本の道路信号機の各発光タイミングにおいて、道路信号機の発光時間の略半分の時間が第２光電変換部６４の露光期間と重なっており、道路信号機の各発光タイミングでの露光時間が十分に確保されている。同様に西日本の道路信号機の各発光タイミングにおいても、道路信号機の発光時間の略半分の時間が第２光電変換部６４の露光期間と重なっている。
【００８３】
なお、折れ線L11および折れ線L12において、斜線部分は第２光電変換部６４の露光期間ではない期間を示しており、斜線の施されていない部分は第２光電変換部６４の露光期間と重なっている期間を示している。
【００８４】
折れ線L11および折れ線L12から分かるように、第２光電変換部６４の非線形なバースト駆動によって、道路信号機の各発光期間において道路信号機により発せられた十分な量の光を第２光電変換部６４で受光することができる。これにより、より確実に道路信号機等のパルス発光光源からの光を捉えることができ、フリッカの発生を抑制することができる。
【００８５】
また、第２光電変換部６４の非線形なバースト駆動により各露光期間の長さや位相（時刻）を制御して、１フレーム期間内における第２光電変換部６４の露光の重心位置を任意の位相（時刻）に調整することができる。この例では、例えば期間T11において、折れ線L14とともに描かれている正弦波の山の部分が第２光電変換部６４の露光の重心位置となっており、第２光電変換部６４の露光の重心位置が、東日本の道路信号機の発光期間内の位置となっていることが分かる。
【００８６】
そのため、第２光電変換部６４の露光は、東日本の道路信号機の発光タイミングに同期した高速シャッタ露光となっている。また、１フレーム期間における第２光電変換部６４の露光時間は、１フレーム期間の半分の時間となっている。
【００８７】
したがって、仮に固体撮像素子１１から見て、被写体である道路信号機が動いていたとしても、つまり道路信号機が動被写体となったとしても、第２光電変換部６４の露光により得られる画素信号からなる撮影画像において、道路信号機がぼけてしまうことはない。このような第２光電変換部６４のバースト駆動により、モーションブラーやフリッカの発生を抑制することができる。
【００８８】
なお、第２光電変換部６４を非線形にバースト駆動させる場合、非露光期間と、その非露光期間に続く露光期間とからなる期間の長さは、ランダムに変化するように設定してもよいし、所望のパルス発光光源の発光タイミングに合わせて変化させるようにしてもよい。特に、パルス発光光源の発光タイミングに同期させて第２光電変換部６４での露光を制御すれば、より効率的に露光を行うことができる。
【００８９】
また、１フレーム期間内における第２光電変換部６４の合計露光時間や各露光が行われるタイミングは、フレームごとに設定することが可能である。
【００９０】
さらに、第２光電変換部６４のバースト駆動で、１フレーム期間における第２光電変換部６４の合計露光時間を所望の長さに設定すれば、第１光電変換部６１と第２光電変換部６４の感度比を任意に設定することができる。これにより、撮影画像のダイナミックレンジを十分に拡大することができるだけでなく、HDR合成比も自由に設定することができる。
【００９１】
また、第２光電変換部６４の露光を行うと同時に、第１光電変換部６１でも露光を行う場合、１フレーム期間における第２光電変換部６４の露光期間の重心位置と、第１光電変換部６１の露光期間の重心位置とのずれが大きいと、合成アーチファクトが発生する。
【００９２】
そこで、垂直駆動部２２は、例えば矢印A11に示すように第１光電変換部６１の露光期間を任意の位相にシフトさせて、第１光電変換部６１の露光期間の重心位置と、第２光電変換部６４の露光期間の重心位置とを一致させるようにする。これにより、合成アーチファクトの発生を抑制し、より高品質な撮影画像を得ることができるようになる。
【００９３】
また、この例では、第１光電変換部６１の露光期間も１フレーム期間よりも短い期間となっており、モーションブラーの発生を抑制することができる。なお、第１光電変換部６１については、特に動被写体解像度が十分に確保できる、つまりモーションブラーが十分に小さい場合には、１フレーム期間の全期間を露光期間としてもよい。
【００９４】
固体撮像素子１１では、例えば第２光電変換部６４については、全画素で一斉に露光が行われ、第１光電変換部６１については列方向に並ぶ画素行ごとに順番に露光が行われる。
【００９５】
例えば、第１光電変換部６１のシャッタ制御を行うときには、1/60秒の画素信号の読み出しサイクル直前に受光するような方式では、第１光電変換部６１の露光タイミングを、第２光電変換部６４の露光タイミングやパルス発光光源の発光タイミングに同期させることができない。
【００９６】
そこで、撮影画像の奇数フレームと偶数フレームで、画素信号の読出し位相を変えることができるようにすることが有効である。
【００９７】
例えば図４に示すように、位相シフトにより第１光電変換部６１の露光期間を時間方向にずらして、撮影画像の各フレームの露光と画素信号の読み出しを行う場合について考える。なお、図４において図３における場合と対応する部分には同一の符号を付してあり、その説明は適宜省略する。
【００９８】
図４では折れ線L21は所定の奇数フレームの露光、つまり電荷の蓄積と、画素信号の読み出しの様子を示している。なお、折れ線L21が図中、下方向に傾いている部分は、画素信号が読み出される画素行が列方向にシフトしていく様子を表している。
【００９９】
同様に、折れ線L22は、折れ線L21に示される奇数フレームに続く偶数フレームの露光と、画素信号の読み出しの様子を示している。なお、折れ線L22が図中、下方向に傾いている部分は、画素信号が読み出される画素行が列方向にシフトしていく様子を表している。
【０１００】
この例では、時刻t11に折れ線L21に示される奇数フレームでの画素信号の読み出しが開始され、画素アレイ部２１の画素行が列方向に順番に選択されて、それらの選択された画素行を構成する画素から画素信号が読み出されていく。そして、１フレーム期間の終了の時刻である時刻t13に奇数フレームの全画素からの画素信号の読み出しが完了する。
【０１０１】
これに対して、折れ線L22に示される偶数フレームでは、時刻t11から時刻t12までの期間は露光を行う期間となっており、この期間において、所定の時刻に第１光電変換部６１や第２光電変換部６４の露光が行われる。
【０１０２】
そして、時刻t12において偶数フレームの露光が終了すると、その後、折れ線L22に示される偶数フレームでの画素信号の読み出しが開始され、画素アレイ部２１の画素行が列方向に順番に選択されて、それらの選択された画素行を構成する画素から画素信号が読み出されていく。
【０１０３】
しかし、このような駆動を行う場合、時刻t12から時刻t13まで期間T21では、折れ線L21に示される奇数フレームの画素信号の読み出しだけでなく、折れ線L22に示される偶数フレームでの画素信号の読み出しも行われることになる。すなわち、時間方向に連続する奇数フレームと偶数フレームとで、画素信号を読み出す信号出力期間がオーバーラップしている。
【０１０４】
そのため、例えば画素アレイ部２１に設けられた列方向に並ぶ画素が同じ垂直信号線２７に接続されていると、奇数フレームにおける画素からの画素信号の読み出しが完了する前に、偶数フレームにおける画素からの画素信号の読み出しが開始されてしまう。したがって、時間的に前後するフレームの信号出力期間がオーバーラップしても正しく画素信号を読み出すことができるように何らかの工夫が必要となる。
【０１０５】
そこで、例えば画素５１の増幅トランジスタ７１および選択トランジスタ７２後から、カラム処理部２３のAD変換器までの経路をDOL（Double Output Line）構造とすれば、信号出力期間がオーバーラップしても各画素から画素信号を読み出すことができるようになる。
【０１０６】
具体的には、画素アレイ部２１に列方向に並ぶ画素列に対して、２つの垂直信号線２７が設けられるようにし、その画素列を構成する各画素５１が２つの垂直信号線２７うちの何れかの垂直信号線２７に接続されるようにする。また、カラム処理部２３では、２つの垂直信号線２７のそれぞれに対して、AD変換処理を行うAD変換器のそれぞれが設けられる。
【０１０７】
これにより、例えば奇数フレームについては、一方の垂直信号線２７を用いて画素５１からの画素信号を読み出し、偶数フレームについては、他方の垂直信号線２７を用いて画素５１からの画素信号を読み出せば、図３を参照して説明した駆動を実現するこができる。
【０１０８】
このようにアンチブルーミングゲート部が接続されていない第１光電変換部６１については、DOL出力回路を設けることで、フレームごとに第１光電変換部６１の露光期間の位相をシフト（ずらす）ことができる。その結果、バースト駆動を行う第２光電変換部６４の露光期間の時間方向の重心位置と、第１光電変換部６１の露光期間の時間方向の重心位置とを略一致させることができる。
【０１０９】
また、信号出力期間がオーバーラップしても、第１光電変換部６１と、第２光電変換部６４との同期信号処理を行うことができるように遅延用の外部メモリを設け、その外部メモリに画素信号を一時的に保持しておくようにしてもよい。
【０１１０】
その他、画素信号を読み出す構成を通常の２倍の速度で動作できる構成とするようにしてもよい。すなわち、カラム処理部２３に２倍速のAD変換器を設け、第１光電変換部６１の露光期間の位相を１フレーム期間の半分までずらすことができるようにすれば、奇数フレームと偶数フレームで信号出力期間のオーバーラップを生じさせることなく画素信号を読み出すことができる。
【０１１１】
さらに、画素信号の読み出し経路部分をDOL構造とすることができない場合には、フレームシーケンシャルとするようにしてもよい。
【０１１２】
すなわち、例えば撮影画像の１フレーム目では、第１光電変換部６１については１フレームの全期間露光が行われ、第２光電変換部６４については上述した非線形なバースト駆動が行われる。これにより、１フレーム目の撮影画像ではフリッカの発生を抑制することができる。
【０１１３】
これに対して、２フレーム目では、第１光電変換部６１については１フレーム期間の後半、つまり画素信号の読み出し直前に高速シャッタ露光を行い、第２光電変換部６４については第１光電変換部６１での露光期間に合わせて露光を行う。第２光電変換部６４の露光はバースト駆動であってもそうでなくてもよい。これにより、２フレーム目では合成アーチファクトの発生やモーションブラーの発生を抑制することができる。
【０１１４】
このような駆動を交互に行えば、フリッカの発生が抑制された撮影画像と、合成アーチファクトおよびモーションブラーの発生が抑制された撮影画像とを得ることができる。
【０１１５】
〈固体撮像素子の動作について〉
次に、固体撮像素子１１の動作について説明する。
【０１１６】
まず、図５のタイミングチャートを参照して、画素５１の露光動作について説明する。なお、図５において折れ線L31乃至折れ線L37は、駆動信号SEL、駆動信号FDG、駆動信号RST、駆動信号TGS、駆動信号ABG、駆動信号FCG、および駆動信号TGLを示している。また、各駆動信号は図中、上に突の状態がオンとされた状態を示している。
【０１１７】
時刻t21において、垂直駆動部２２は駆動信号FDGをオンすることで第３転送ゲート部６８をオンさせ、FD部６３とノード８１とを電気的に接続させる。そして、時刻t22において、垂直駆動部２２は駆動信号RSTをオンすることでリセットゲート部７０をオンさせる。これにより、FD部６３とノード８１がリセットされる。
【０１１８】
時刻t23において、垂直駆動部２２は駆動信号FCGおよび駆動信号ABGをオンする。これにより、第４転送ゲート部６９がオンして電荷蓄積部６７、ノード８１、およびFD部６３が電気的に接続された状態となり、それらの領域がリセットされる。また、アンチブルーミングゲート部６５がオンし、第２光電変換部６４がリセットされる。
【０１１９】
時刻t24において、垂直駆動部２２は駆動信号FCGをオフすることで第４転送ゲート部６９をオフさせる。これにより、電荷蓄積部６７とノード８１が電気的に切り離された状態となり、電荷蓄積部６７のリセットが解除される。
【０１２０】
続いて時刻t25において、垂直駆動部２２は駆動信号ABGをオフすることでアンチブルーミングゲート部６５をオフさせ、第２光電変換部６４のリセットを解除する。これにより、第２光電変換部６４での露光が開始される。その後、垂直駆動部２２は第２光電変換部６４の非線形なバースト駆動を行う。
【０１２１】
すなわち、時刻t26において、垂直駆動部２２は駆動信号TGSをオンすることで第２転送ゲート部６６をオンさせる。これにより、第２光電変換部６４における光電変換により得られた電荷が、第２光電変換部６４から第２転送ゲート部６６を介して電荷蓄積部６７へと転送され、蓄積される。また、時刻t27において、垂直駆動部２２は駆動信号TGSをオフすることで第２転送ゲート部６６をオフさせて電荷の転送を終了させ、第２光電変換部６４での露光を終了させる。
【０１２２】
時刻t28において、垂直駆動部２２は駆動信号ABGをオンすることでアンチブルーミングゲート部６５をオンさせ、第２光電変換部６４をリセットする。時刻t29において、垂直駆動部２２は駆動信号ABGをオフすることでアンチブルーミングゲート部６５をオフさせ、第２光電変換部６４のリセットを解除する。これにより、再度、第２光電変換部６４の露光が開始される。
【０１２３】
時刻t30において、垂直駆動部２２は駆動信号TGSをオンすることで第２転送ゲート部６６をオンさせて、第２光電変換部６４の電荷を電荷蓄積部６７に転送させ、時刻t31において、垂直駆動部２２は駆動信号TGSをオフすることで第２転送ゲート部６６をオフさせ、電荷の転送を終了させる。
【０１２４】
時刻t32において、垂直駆動部２２は駆動信号ABGをオンすることでアンチブルーミングゲート部６５をオンさせて第２光電変換部６４をリセットさせ、時刻t33において、垂直駆動部２２は駆動信号ABGをオフすることでアンチブルーミングゲート部６５をオフさせ、第２光電変換部６４のリセットを解除する。
【０１２５】
時刻t34において、垂直駆動部２２は駆動信号TGLをオンして第１転送ゲート部６２をオンさせることで、第１光電変換部６１をリセットさせ、時刻t35において、垂直駆動部２２は駆動信号TGLをオフして第１転送ゲート部６２をオフさせることで、第１光電変換部６１のリセットを解除する。これにより、第１光電変換部６１での露光が開始される。
【０１２６】
時刻t36において、垂直駆動部２２は駆動信号RSTをオフすることでリセットゲート部７０をオフさせ、FD部６３とノード８１のリセットを解除する。そして、時刻t37において、垂直駆動部２２は駆動信号FDGをオフすることで第３転送ゲート部６８をオフさせ、FD部６３とノード８１とを電気的に切り離す。
【０１２７】
時刻t38において、垂直駆動部２２は駆動信号TGSをオンすることで第２転送ゲート部６６をオンさせて、第２光電変換部６４の電荷を電荷蓄積部６７に転送させ、時刻t39において、垂直駆動部２２は駆動信号TGSをオフすることで第２転送ゲート部６６をオフさせ、電荷の転送を終了させる。
【０１２８】
時刻t40において、垂直駆動部２２は駆動信号ABGをオンすることでアンチブルーミングゲート部６５をオンさせて第２光電変換部６４をリセットさせ、時刻t41において、垂直駆動部２２は駆動信号ABGをオフすることでアンチブルーミングゲート部６５をオフさせ、第２光電変換部６４のリセットを解除する。
【０１２９】
時刻t42において、垂直駆動部２２は駆動信号TGLをオンして第１転送ゲート部６２をオンさせる。これにより、第１光電変換部６１における光電変換により得られた電荷が、第１転送ゲート部６２を介して第１光電変換部６１からFD部６３へと転送され、蓄積される。さらに、時刻t43において、垂直駆動部２２は駆動信号TGLをオフして第１転送ゲート部６２をオフさせることで、第１光電変換部６１からの電荷の転送を終了させる。これにより、第１光電変換部６１での露光が終了する。
【０１３０】
垂直駆動部２２は第１光電変換部６１の露光期間の時間重心位置を、第２光電変換部６４の露光期間の時間重心位置と略一致させることで、合成アーチファクトやモーションブラーの発生を抑制することができる。
【０１３１】
また、時刻t44において、垂直駆動部２２は駆動信号TGSをオンすることで第２転送ゲート部６６をオンさせて、第２光電変換部６４の電荷を電荷蓄積部６７に転送させ、時刻t45において、垂直駆動部２２は駆動信号TGSをオフすることで第２転送ゲート部６６をオフさせ、電荷の転送を終了させる。以降においても画素信号の読み出しが開始されるまで、第２光電変換部６４の非線形なバースト駆動が適宜、行われる。
【０１３２】
以上のようにして固体撮像素子１１は、第２光電変換部６４の非線形なバースト駆動を行って第２光電変換部６４での露光を行いつつ、任意の位相で第１光電変換部６１の露光を行う。これにより、撮影画像のダイナミックレンジを十分に拡大し、かつフリッカや、モーションブラー、合成アーチファクトの発生を抑制し、より高品質な撮影画像を得ることができる。
【０１３３】
続いて、図６のタイミングチャートを参照して、画素５１の画素信号の読み出し時の動作について説明する。この処理は、例えば画素アレイ部２１の画素行ごとに、図５の処理が行われてから所定の走査順で行われる。
【０１３４】
なお、図６において折れ線L41乃至折れ線L47は、駆動信号RST、駆動信号TGL、駆動信号TGS、駆動信号FDG、駆動信号FCG、駆動信号ABG、および駆動信号SELを示している。また、各駆動信号は図中、上に突の状態がオンとされた状態を示している。
【０１３５】
画素信号の読み出し動作が行われるときには、駆動信号ABGがオンされてアンチブルーミングゲート部６５がオンされた状態、つまり第２光電変換部６４がリセットされた状態となっている。
【０１３６】
時刻t51において、垂直駆動部２２は駆動信号RSTをオンすることでリセットゲート部７０をオンさせる。また、時刻t51において、垂直駆動部２２は駆動信号SELをオンすることで選択トランジスタ７２をオンさせ、画素５１を選択状態とする。
【０１３７】
このとき露光動作時に第１光電変換部６１から転送された電荷がFD部６３に蓄積された状態となっている。そのため、FD部６３に蓄積されている電荷の量、すなわち第１光電変換部６１での露光で得られた電荷の量に応じた信号が、増幅トランジスタ７１から選択トランジスタ７２および垂直信号線２７を介してカラム処理部２３へと出力される。カラム処理部２３は、このようにして増幅トランジスタ７１から出力された信号を、第１光電変換部６１での露光により得られた画素信号の信号レベルとして読み取る。
【０１３８】
時刻t52において、垂直駆動部２２は駆動信号FDGをオンすることで第３転送ゲート部６８をオンさせ、FD部６３とノード８１とを電気的に接続させる。これにより、FD部６３とノード８１とがリセットされる。
【０１３９】
時刻t53において、垂直駆動部２２は駆動信号FDGをオフすることで第３転送ゲート部６８をオフさせ、FD部６３とノード８１とを電気的に切り離す。
【０１４０】
この場合、FD部６３がリセットされている状態で、FD部６３に蓄積されている電荷の量に応じた信号が、増幅トランジスタ７１から選択トランジスタ７２および垂直信号線２７を介してカラム処理部２３へと出力される。カラム処理部２３は、このようにして増幅トランジスタ７１から出力された信号を、第１光電変換部６１で得られる画素信号のリセットレベルとして読み取る。カラム処理部２３では、以上において得られた第１光電変換部６１についてのリセットレベルと信号レベルとから、第１光電変換部６１での露光により得られた画素信号が生成される。
【０１４１】
なお、第１光電変換部６１で得られる画素信号の読み出し時に、第３転送ゲート部６８をオンさせた状態、つまりFD部６３とノード８１が接続された状態で画素信号の読み出しを行うようにしてもよい。この場合、電荷の電気信号への変換効率、すなわち第１光電変換部６１の感度を調整することができる。但し、そのような場合には、信号レベルの読み出し時には、リセットゲート部７０をオフさせておく必要がある。
【０１４２】
時刻t54において、垂直駆動部２２は駆動信号RSTをオフすることでリセットゲート部７０をオフさせ、ノード８１のリセットを解除する。
【０１４３】
時刻t55において、垂直駆動部２２は駆動信号FDGおよび駆動信号FCGをオンすることで、第３転送ゲート部６８および第４転送ゲート部６９をオンさせる。これにより、電荷蓄積部６７、ノード８１、およびFD部６３が電気的に接続された状態となる。
【０１４４】
電荷蓄積部６７には、露光動作時に第２光電変換部６４から転送された電荷が蓄積されているから、電荷蓄積部６７、ノード８１、およびFD部６３が電気的に接続されると、それらの電荷蓄積部６７、ノード８１、およびFD部６３に、第２光電変換部６４での露光により得られた電荷が蓄積された状態となる。
【０１４５】
すると、電荷蓄積部６７、ノード８１、およびFD部６３に蓄積されている電荷の量に応じた信号が、増幅トランジスタ７１から選択トランジスタ７２および垂直信号線２７を介してカラム処理部２３へと出力される。カラム処理部２３は、このようにして増幅トランジスタ７１から出力された信号を、第２光電変換部６４での露光により得られた画素信号の信号レベルとして読み取る。
【０１４６】
時刻t56において、垂直駆動部２２は駆動信号RSTをオンすることでリセットゲート部７０をオンさせる。これにより、電荷蓄積部６７、ノード８１、およびFD部６３がリセットされる。そして、時刻t57において、垂直駆動部２２は駆動信号RSTをオフすることでリセットゲート部７０をオフさせ、電荷蓄積部６７、ノード８１、およびFD部６３のリセットを解除する。
【０１４７】
この場合、電荷蓄積部６７、ノード８１、およびFD部６３がリセットされた状態で、それらの電荷蓄積部６７、ノード８１、およびFD部６３に蓄積されている電荷の量に応じた信号が、増幅トランジスタ７１から選択トランジスタ７２および垂直信号線２７を介してカラム処理部２３へと出力される。カラム処理部２３は、このようにして増幅トランジスタ７１から出力された信号を、第２光電変換部６４で得られる画素信号のリセットレベルとして読み取る。
【０１４８】
カラム処理部２３では、以上において得られた第２光電変換部６４についてのリセットレベルと信号レベルとから、第２光電変換部６４での露光により得られた画素信号が生成される。
【０１４９】
そして、このようにして得られた第１光電変換部６１についての画素信号と、第２光電変換部６４についての画素信号とが、後段の信号処理部２８等においてHDR合成され、ダイナミックレンジが拡大された１フレーム分の撮影画像の画素の画素信号とされる。
【０１５０】
時刻t58において、垂直駆動部２２は駆動信号RSTをオンすることでリセットゲート部７０をオンさせるとともに、駆動信号TGLおよび駆動信号TGSをオンすることで、第１転送ゲート部６２および第２転送ゲート部６６をオンさせる。これにより、第１光電変換部６１および第２光電変換部６４と、電荷蓄積部６７、ノード８１、およびFD部６３とがリセットされる。
【０１５１】
その後、時刻t59において、垂直駆動部２２は駆動信号TGLおよび駆動信号TGSをオフすることで、第１転送ゲート部６２および第２転送ゲート部６６をオフさせる。さらに時刻t60において、垂直駆動部２２は駆動信号RSTをオフすることでリセットゲート部７０をオフさせる。これにより、画素５１の各部のリセットが解除される。
【０１５２】
そして、時刻t61において、垂直駆動部２２は駆動信号FCGをオフすることで、第４転送ゲート部６９をオフさせ、時刻t62において、垂直駆動部２２は駆動信号FDGをオフすることで、第３転送ゲート部６８をオフさせる。これにより、電荷蓄積部６７、ノード８１、およびFD部６３が電気的に切り離された状態となる。
【０１５３】
また、時刻t62では、垂直駆動部２２は駆動信号SELをオフすることで選択トランジスタ７２をオフさせ、画素５１の選択状態を解除する。
【０１５４】
以上のようにして固体撮像素子１１は、第１光電変換部６１および第２光電変換部６４のそれぞれの露光により得られた画素信号を順番に読み出す。これにより、撮影画像のダイナミックレンジを十分に拡大し、かつフリッカや、モーションブラー、合成アーチファクトの発生を抑制して、より高品質な撮影画像を得ることができる。
【０１５５】
〈第１の実施の形態の変形例１〉
〈画素の構成例〉
なお、以上においては画素アレイ部２１に設けられる単位画素が図２に示した構成とされる場合について説明した。しかし、単位画素の構成は図２に示した例に限られるものではない。例えば単位画素である画素５１に、３以上の光電変換部が設けられるようにしてもよく、それらの光電変換部の一部または全部について、上述した非線形なバースト駆動を行うことができるようにしてもよい。非線形なバースト駆動を行うには、光電変換部にアンチブルーミングゲート部が接続されるとともに、さらにその光電変換部に転送ゲート部を介して電荷蓄積部が接続されていればよい。
【０１５６】
また、画素５１の構成は、例えば図７に示す構成とすることも可能である。なお、図７において図２における場合と対応する部分には同一の符号を付してあり、その説明は適宜省略する。
【０１５７】
図７に示す画素５１の構成は、第３転送ゲート部６８が設けられていない点で図２に示した画素５１の構成と異なり、その他の点では図２に示した画素５１と同じ構成となっている。
【０１５８】
したがって、図７に示す画素５１では、リセットゲート部７０および第４転送ゲート部６９は、FD部６３に接続されている。そのため、例えばリセットゲート部７０がオンされるとFD部６３がリセットされ、第４転送ゲート部６９がオンされると電荷蓄積部６７に蓄積されている電荷がFD部６３に転送されることになる。
【０１５９】
〈第１の実施の形態の変形例２〉
〈画素の構成例〉
また、画素５１の構成は、例えば図８に示す構成とすることも可能である。なお、図８において図７における場合と対応する部分には同一の符号を付してあり、その説明は適宜省略する。
【０１６０】
図８に示す画素５１の構成は、電荷蓄積部６７の対向電極の接続先がグランドとなっている点で図７に示した画素５１の構成と異なり、その他の点では図７に示した画素５１と同じ構成となっている。
【０１６１】
〈第１の実施の形態の変形例３〉
〈画素の構成例〉
さらに、画素５１の構成は、例えば図９に示す構成とすることも可能である。なお、図９において図７における場合と対応する部分には同一の符号を付してあり、その説明は適宜省略する。
【０１６２】
図９に示す画素５１の構成は、電荷蓄積部６７の対向電極およびリセットゲート部７０が、電源VDDの代わりに可変電源VCBに接続されている点で図７に示した画素５１の構成と異なり、その他の点では図７に示した画素５１と同じ構成となっている。
【０１６３】
可変電源VCBの電源電圧VCBは、例えば、高レベルの電圧VHまたは低レベルの電圧VLに設定される。例えば、電圧VHは電源電圧VDDと同様のレベルに設定され、電圧VLはグランドレベルに設定される。
【０１６４】
〈第２の実施の形態〉
〈画素の構成例〉
ところで、車両には夜間の前方認識のために前照灯が設けられており、前照灯により車両前方にある被写体を照明することで、その被写体を認識することができる。しかし、車両前方の遠距離にある被写体を認識するためのハイビームは、対向車に乗車している人や、前方にいる他の人の目に眩しいため、長時間点灯させておくことは望ましくない。そこで、前照灯ハイビームを眩しくならないようにする方法として、一瞬だけハイビームを発光させるフラッシュ制御が考えられる。
【０１６５】
一般的に車両で車載カメラにより前方認識を行うときには、暗時には感度の高い光電変換部による受光が有効となる。ところが、フラッシュ制御を行ってハイビームを瞬間的に発光（点灯）させる場合、瞬間的な発光を従来の1/60蓄積のカメラ、すなわち１フレーム分の露光時間が1/60秒であるカメラで捉えても、ハイビームの発光時間に対して露光時間が長過ぎるため、ハイビームが他の環境光に埋もれて見えなくなってしまう。すなわち、撮影で得られた撮影画像では、ハイビームにより照明された遠距離に位置する被写体を認識することが困難となってしまう。
【０１６６】
このように、車両の前方にいる人にハイビームを眩しく感じさせないようにすることと、ハイビームにより照明された遠距離に位置する被写体を確実に認識することとを両立させることは困難であった。
【０１６７】
そこで、本技術では、図１に示した固体撮像素子１１において、フラッシュ制御により瞬間的に発光されるハイビーム（以下、フラッシュハイビームとも称する）に同期させて露光を行うようにし、その結果得られた信号を最大限増幅処理することで、撮影画像において遠方の被写体を認識できるようにした。
【０１６８】
そのような場合、例えば図２に示した画素５１において、第１転送ゲート部６２を介して第１光電変換部６１に接続されているFD部６３を、露光により得られた電荷を蓄積する信号蓄積部として利用すればよい。また、FD部６３の容量を小さくし、FD部６３における電荷の電気信号への変換効率を高くしておけば、車両前方の遠距離にある被写体まで効率的に認識（検出）することができる。
【０１６９】
〈固体撮像素子の動作について〉
次に、図１０のタイミングチャートを参照して、ハイビームの発光に同期させて露光を行う場合における固体撮像素子１１の動作について説明する。
【０１７０】
なお、図１０において、折れ線L51はフラッシュハイビームの発光タイミングを示しており、上に突の状態が、フラッシュハイビームが発光した状態を示している。また、折れ線L52および折れ線L53は、第１光電変換部６１の露光タイミング、および第２光電変換部６４での露光タイミングを示している。特に、折れ線L52および折れ線L53のそれぞれが上に突となっている期間が露光期間を示している。また、折れ線L52が徐々に図中、上方向に上がっていく部分は第１光電変換部６１に電荷が蓄積されていく様子を示している。
【０１７１】
折れ線L54乃至折れ線L60は、駆動信号RST、駆動信号TGL、駆動信号TGS、駆動信号FDG、駆動信号FCG、駆動信号ABG、および駆動信号SELを示している。また、各駆動信号は図中、上に突の状態がオンとされた状態を示している。さらに、曲線L61および曲線L62は、画素信号読み出し時の垂直信号線２７の電位を示している。
【０１７２】
図１０では、通常の撮影画像の１フレーム分の期間である1/60秒の期間が期間T31および期間T32に分割されており、それらの期間T31および期間T32は1/120秒の区間となっている。すなわち、ここでは撮影画像のフレームレートが通常の２倍とされており、期間T31においてフラッシュハイビームに同期させた露光が行われ、期間T32に通常の撮影画像の撮影が行われる例となっている。
【０１７３】
この例では、一部の領域のみをハイビームで照明するスプリットハイビームやロービームが適切なタイミングで順番に発光される状態で、期間T31および期間T32からなる通常の１フレーム分の期間においてフラッシュハイビームが１度だけ発光する例となっている。
【０１７４】
まず、フラッシュハイビームの発光直前のタイミングである時刻t81において、垂直駆動部２２は駆動信号RST、駆動信号TGL、および駆動信号FDGをオンすることで、リセットゲート部７０、第１転送ゲート部６２、および第３転送ゲート部６８をオンさせる。これにより、第１光電変換部６１、FD部６３、およびノード８１が電気的に接続され、それらの第１光電変換部６１、FD部６３、およびノード８１がリセットされる。
【０１７５】
その後、垂直駆動部２２は駆動信号TGLをオフすることで、第１光電変換部６１のリセットを解除し、第１光電変換部６１での露光を開始させる。
【０１７６】
そして、フラッシュハイビームの発光タイミングである時刻t82において、垂直駆動部２２は駆動信号FDGをオフすることで第３転送ゲート部６８をオフさせ、FD部６３とノード８１を電気的に切り離す。
【０１７７】
また、フラッシュハイビームの発光終了のタイミングである時刻t83において、垂直駆動部２２は駆動信号TGLをオンすることで第１転送ゲート部６２をオンさせ、第１光電変換部６１における光電変換で得られた電荷をFD部６３へと転送させ、蓄積させる。
【０１７８】
その後、垂直駆動部２２は駆動信号TGLをオフすることで第１転送ゲート部６２をオフさせ、第１光電変換部６１における光電変換で得られた電荷のFD部６３への転送を終了させる。これにより、第１光電変換部６１での露光が終了する。なお、ここでの第１光電変換部６１の露光は、全画素５１で一斉に行われる。
【０１７９】
このようにパルス発光光源であるフラッシュハイビームの発光期間に同期させたタイミングおよび露光時間で、より感度の高い第１光電変換部６１での露光を行うことで、車両前方の遠距離にある被写体をより確実に認識することができるようになる。
【０１８０】
時刻t84において、垂直駆動部２２は駆動信号RSTをオフすることで、リセットゲート部７０をオフさせ、ノード８１のリセットを解除する。
【０１８１】
このようにして第１光電変換部６１での露光により得られた電荷がFD部６３に転送されて蓄積されると、垂直駆動部２２は各画素行を順番に選択していき、全画素５１から画素信号の読み出しを行っていく。
【０１８２】
すなわち、時刻t85において、垂直駆動部２２は、選択した画素行に供給する駆動信号SELをオンすることで選択トランジスタ７２をオンさせ、その画素行の画素５１を選択状態とする。また、垂直駆動部２２は駆動信号RSTをオンすることでリセットゲート部７０をオンさせ、ノード８１をリセット状態とする。
【０１８３】
このようにして画素５１を選択状態とすると、曲線L61に示すようにFD部６３に蓄積された電荷の量に応じて垂直信号線２７の電位が変化する。
【０１８４】
すなわち第１光電変換部６１での露光で得られた電荷の量に応じた信号が、増幅トランジスタ７１から選択トランジスタ７２および垂直信号線２７を介してカラム処理部２３へと出力される。カラム処理部２３は、このようにして増幅トランジスタ７１から出力された信号を、第１光電変換部６１での露光により得られた画素信号の信号レベルとして読み取る。
【０１８５】
時刻t86において、垂直駆動部２２は駆動信号FDGをオンすることで第３転送ゲート部６８をオンさせ、FD部６３およびノード８１を電気的に接続させる。これにより、FD部６３およびノード８１がリセットされる。
【０１８６】
時刻t87において、垂直駆動部２２は駆動信号FDGをオフすることで第３転送ゲート部６８をオフさせ、FD部６３およびノード８１を電気的に切り離す。これにより、FD部６３のリセットが解除される。これにより、曲線L61に示すようにFD部６３に蓄積された電荷の量に応じて垂直信号線２７の電位が変化する。
【０１８７】
この場合、FD部６３がリセットされた状態で、FD部６３に蓄積されている電荷の量に応じた信号が、増幅トランジスタ７１から選択トランジスタ７２および垂直信号線２７を介してカラム処理部２３へと出力される。カラム処理部２３は、このようにして増幅トランジスタ７１から出力された信号を、第１光電変換部６１で得られる画素信号のリセットレベルとして読み取る。
【０１８８】
そして、カラム処理部２３では、以上において得られた第１光電変換部６１についてのリセットレベルと信号レベルとから、第１光電変換部６１での露光により得られた画素信号が生成される。これにより、フラッシュハイビームを照明光源とした、車両前方の遠方にある被写体を認識するための撮影画像が得られたことになる。
【０１８９】
画素信号の読み出しが行われると、時刻t88において、垂直駆動部２２は駆動信号RSTをオフすることでリセットゲート部７０をオフさせ、ノード８１のリセットを解除する。また、垂直駆動部２２は必要に応じて駆動信号SELをオフすることで選択トランジスタ７２をオフさせ、画素５１の選択状態を解除する。
【０１９０】
さらに、時刻t89において、垂直駆動部２２は駆動信号RST、駆動信号TGL、駆動信号TGS、駆動信号FDG、および駆動信号FCGをオンする。これにより、リセットゲート部７０、第１転送ゲート部６２、第２転送ゲート部６６、第３転送ゲート部６８、および第４転送ゲート部６９がオンして、第１光電変換部６１、FD部６３、ノード８１、電荷蓄積部６７、および第２光電変換部６４が電気的に接続される。そして、これらの第１光電変換部６１、FD部６３、ノード８１、電荷蓄積部６７、および第２光電変換部６４がリセットされる。
【０１９１】
時刻t90において、垂直駆動部２２は駆動信号TGLおよび駆動信号TGSをオフすることで、第１転送ゲート部６２および第２転送ゲート部６６をオフさせ、次フレームまでの第１光電変換部６１および第２光電変換部６４での露光を開始させる。ここで開始される露光は、通常の撮影画像の撮影のための露光となる。
【０１９２】
なお、第１光電変換部６１の露光については、上述した位相シフト制御、つまり任意のタイミングでの第１光電変換部６１のリセット動作を行って、所望のタイミングで露光が開始されるようにしてもよい。
【０１９３】
時刻t91において、垂直駆動部２２は駆動信号RSTをオフすることでリセットゲート部７０をオフさせて、FD部６３、ノード８１、および電荷蓄積部６７のリセットを解除する。そして、時刻t92において、垂直駆動部２２は駆動信号FCGをオフすることで第４転送ゲート部６９をオフさせ、ノード８１と電荷蓄積部６７を電気的に切り離す。
【０１９４】
さらに、時刻t93において、垂直駆動部２２は駆動信号FDGをオフすることで第３転送ゲート部６８をオフさせ、ノード８１とFD部６３を電気的に切り離す。
【０１９５】
以上の時刻t85から時刻t93までの動作が選択状態とされた画素行ごとに順番に行われる。
【０１９６】
その後、垂直駆動部２２は、適宜、駆動信号TGSおよび駆動信号ABGをオン、オフしながら、上述した第２光電変換部６４の非線形なバースト駆動を行う。
【０１９７】
例えば時刻t94において垂直駆動部２２は、駆動信号RSTおよび駆動信号FDGをオンすることで、リセットゲート部７０および第３転送ゲート部６８をオンさせるとともに、駆動信号TGSをオンすることで第２転送ゲート部６６をオンさせる。
【０１９８】
これにより、ノード８１とFD部６３が電気的に接続されて、それらのノード８１とFD部６３がリセットされるとともに、第２光電変換部６４における光電変換により得られた電荷が、第２転送ゲート部６６を介して第２光電変換部６４から電荷蓄積部６７に転送されて蓄積される。
【０１９９】
時刻t95において垂直駆動部２２は、駆動信号TGSをオフすることで第２転送ゲート部６６をオフさせ、第２光電変換部６４からの電荷の転送を終了させる。つまり露光が終了する。また、時刻t94および時刻t95では、駆動信号TGLの点線部分で示されるように、適宜、第１光電変換部６１をリセットすることで、第１光電変換部６１での露光の開始時刻を任意の時刻に調整するようにしてもよい。
【０２００】
時刻t96において垂直駆動部２２は、駆動信号RSTをオフすることで、リセットゲート部７０オフさせ、ノード８１とFD部６３のリセットを解除するとともに、駆動信号ABGをオンすることでアンチブルーミングゲート部６５をオンさせ、第２光電変換部６４をリセットする。
【０２０１】
時刻t97において垂直駆動部２２は、駆動信号FDGをオフすることで、第３転送ゲート部６８をオフさせ、ノード８１とFD部６３を電気的に切り離す。その後、垂直駆動部２２は、適切なタイミングで駆動信号ABGをオフすることでアンチブルーミングゲート部６５をオフさせ、第２光電変換部６４での露光を開始させる。
【０２０２】
垂直駆動部２２は、時刻t94乃至時刻t97の駆動を非線形に繰り返し行うことで、第２光電変換部６４の非線形なバースト駆動を行う。図１０では、第２光電変換部６４の合計露光時間と合計非露光時間とが同じ長さとなる例が示されている。
【０２０３】
また、画素５１が含まれる画素行からの画素信号読み出しのタイミングとなると、時刻t98において、垂直駆動部２２は駆動信号SELをオンすることで選択トランジスタ７２をオンさせ、画素５１を選択状態とする。
【０２０４】
時刻t99において、垂直駆動部２２は駆動信号TGSをオンすることで第２転送ゲート部６６をオンさせるとともに、駆動信号FDGおよび駆動信号FCGをオンすることで、第３転送ゲート部６８および第４転送ゲート部６９をオンさせる。
【０２０５】
これにより、電荷蓄積部６７、ノード８１、およびFD部６３が電気的に接続された状態となるとともに、第２光電変換部６４における光電変換で得られた電荷が、第２転送ゲート部６６を介して電荷蓄積部６７、ノード８１、およびFD部６３へと転送され、蓄積される。
【０２０６】
また、時刻t100において、垂直駆動部２２は駆動信号TGSをオフすることで第２転送ゲート部６６をオフさせ、第２光電変換部６４からの電荷の転送を終了させる。これにより、第２光電変換部６４での露光が終了する。
【０２０７】
このような動作が行われると、電荷蓄積部６７、ノード８１、およびFD部６３に、第２光電変換部６４での露光により得られた電荷が蓄積された状態となり、曲線L62に示すように蓄積された電荷の量に応じて垂直信号線２７の電位が変化する。
【０２０８】
すると、電荷蓄積部６７、ノード８１、およびFD部６３に蓄積されている電荷の量に応じた信号が、増幅トランジスタ７１から選択トランジスタ７２および垂直信号線２７を介してカラム処理部２３へと出力される。カラム処理部２３は、このようにして増幅トランジスタ７１から出力された信号を、第２光電変換部６４での露光により得られた画素信号の信号レベルとして読み取る。
【０２０９】
時刻t101において、垂直駆動部２２は駆動信号RSTをオンすることでリセットゲート部７０をオンさせ、電荷蓄積部６７、ノード８１、およびFD部６３をリセットする。これにより、曲線L62に示すように、リセット時に電荷蓄積部６７、ノード８１、およびFD部６３に蓄積されている電荷の量に応じて垂直信号線２７の電位が変化する。
【０２１０】
時刻t102において、垂直駆動部２２は駆動信号RSTをオフすることでリセットゲート部７０をオフさせ、電荷蓄積部６７、ノード８１、およびFD部６３のリセットを解除する。
【０２１１】
この場合、電荷蓄積部６７、ノード８１、およびFD部６３がリセットされた状態で、それらの電荷蓄積部６７、ノード８１、およびFD部６３に蓄積されている電荷の量に応じた信号が、増幅トランジスタ７１から選択トランジスタ７２および垂直信号線２７を介してカラム処理部２３へと出力される。
【０２１２】
カラム処理部２３は、このようにして増幅トランジスタ７１から出力された信号を、第２光電変換部６４で得られる画素信号のリセットレベルとして読み取る。カラム処理部２３では、以上において得られた第２光電変換部６４についてのリセットレベルと信号レベルとから、第２光電変換部６４での露光により得られた画素信号が生成される。
【０２１３】
時刻t103において、垂直駆動部２２は駆動信号FCGをオフすることで、第４転送ゲート部６９をオフさせ、時刻t104において、垂直駆動部２２は駆動信号FDGをオフすることで、第３転送ゲート部６８をオフさせる。これにより、電荷蓄積部６７、ノード８１、およびFD部６３が電気的に切り離された状態となり、曲線L62に示すように、リセットされた状態でFD部６３に蓄積されている電荷の量に応じて垂直信号線２７の電位が変化する。
【０２１４】
この場合、FD部６３がリセットされている状態で、FD部６３に蓄積されている電荷の量に応じた信号が、増幅トランジスタ７１から選択トランジスタ７２および垂直信号線２７を介してカラム処理部２３へと出力される。カラム処理部２３は、このようにして増幅トランジスタ７１から出力された信号を、第１光電変換部６１で得られる画素信号のリセットレベルとして読み取る。
【０２１５】
時刻t105において、垂直駆動部２２は駆動信号TGLをオンして第１転送ゲート部６２をオンさせる。これにより、第１光電変換部６１における光電変換により得られた電荷が、第１転送ゲート部６２を介して第１光電変換部６１からFD部６３へと転送され、蓄積される。さらに、時刻t106において、垂直駆動部２２は駆動信号TGLをオフして第１転送ゲート部６２をオフさせることで、第１光電変換部６１からの電荷の転送を終了させる。これにより、第１光電変換部６１での露光が終了する。
【０２１６】
なお、ここでは第１光電変換部６１で得られる画素信号の読み出し直前まで第１光電変換部６１の露光を行う例について説明した。しかし、画素信号の読み出し開始よりも前に第１光電変換部６１の露光を終了させる場合には、上述した図６を参照して説明した駆動を行うようにすればよい。
【０２１７】
第１光電変換部６１での露光が終了すると、第１光電変換部６１から転送された電荷がFD部６３に蓄積された状態となり、曲線L62に示すようにFD部６３に蓄積されている電荷の量に応じて垂直信号線２７の電位が変化する。
【０２１８】
そのため、FD部６３に蓄積されている電荷の量、すなわち第１光電変換部６１での露光で得られた電荷の量に応じた信号が、増幅トランジスタ７１から選択トランジスタ７２および垂直信号線２７を介してカラム処理部２３へと出力される。カラム処理部２３は、このようにして増幅トランジスタ７１から出力された信号を、第１光電変換部６１での露光により得られた画素信号の信号レベルとして読み取る。
【０２１９】
カラム処理部２３では、以上において得られた第１光電変換部６１についてのリセットレベルと信号レベルとから、第１光電変換部６１での露光により得られた画素信号が生成される。そして、このようにして得られた第１光電変換部６１についての画素信号と、第２光電変換部６４についての画素信号とがHDR合成され、ダイナミックレンジが拡大された撮影画像の画素の画素信号とされる。
【０２２０】
時刻t107において、垂直駆動部２２は駆動信号RST、駆動信号TGL、駆動信号TGS、駆動信号FCG、および駆動信号FDGをオンすることで、リセットゲート部７０、第１転送ゲート部６２、第２転送ゲート部６６、第４転送ゲート部６９、および第３転送ゲート部６８をオンさせる。
【０２２１】
これにより、第１光電変換部６１、FD部６３、ノード８１、電荷蓄積部６７、および第２光電変換部６４が電気的に接続され、それらの第１光電変換部６１、FD部６３、ノード８１、電荷蓄積部６７、および第２光電変換部６４がリセットされる。
【０２２２】
時刻t108において、垂直駆動部２２は駆動信号TGLおよび駆動信号TGSをオフすることで、第１転送ゲート部６２および第２転送ゲート部６６をオフさせる。また、時刻t109において、垂直駆動部２２は駆動信号RSTをオフすることでリセットゲート部７０をオフさせ、FD部６３、ノード８１、および電荷蓄積部６７のリセットを解除する。
【０２２３】
時刻t110において、垂直駆動部２２は駆動信号FCGをオフすることで第４転送ゲート部６９をオフさせ、電荷蓄積部６７とノード８１を電気的に切り離す。さらに時刻t111において、垂直駆動部２２は駆動信号FDGをオフすることで第３転送ゲート部６８をオフさせ、FD部６３とノード８１とを電気的に切り離すとともに、駆動信号SELをオフすることで選択トランジスタ７２をオフさせ、画素５１の選択状態を解除する。
【０２２４】
以上において説明したシャッタ駆動を行うことで、通常の１フレーム分の期間である1/60秒間の間に、フラッシュハイビームを照明光源とした、車両前方の遠方にある被写体を認識するための撮影画像と、通常の撮影画像とを同時に取得することができる。
【０２２５】
〈第３の実施の形態〉
〈画素の構成例〉
ところで、図２に示した画素５１の構成では、画素５１内に設けられた２つの光電変換部のうち、第２光電変換部６４にはアンチブルーミングゲート部６５が接続されており、非線形なバースト駆動が可能とされていた。これに対して、第１光電変換部６１にはアンチブルーミングゲート部が接続されておらず、バースト駆動ができない構成となっていた。
【０２２６】
しかし、第１光電変換部６１にもアンチブルーミングゲート部を接続する構成とすれば、さらに高付加価値な固体撮像素子１１、すなわち高付加価値な車載カメラを提供することができる。
【０２２７】
そのような場合、画素アレイ部２１に設けられる各単位画素は、例えば図１１に示すように構成される。なお、図１１において図２における場合と対応する部分には同一の符号を付してあり、その説明は適宜省略する。
【０２２８】
図１１に示す単位画素である画素１１１は、第１光電変換部６１、第１転送ゲート部６２、FD部６３、第２光電変換部６４、アンチブルーミングゲート部６５、第２転送ゲート部６６、電荷蓄積部６７、第３転送ゲート部６８、第４転送ゲート部６９、リセットゲート部７０、増幅トランジスタ７１、選択トランジスタ７２、およびアンチブルーミングゲート部１２１を有している。
【０２２９】
画素１１１の構成は、第１光電変換部６１に対してアンチブルーミングゲート部１２１が接続されている点で図２の画素５１の構成と異なり、その他の点では画素５１と同じ構成となっている。
【０２３０】
すなわち、画素１１１では、画素１１１内の各光電変換部に、転送ゲート部を介して電荷を蓄積する領域が接続され、かつ各光電変換部にアンチブルーミングゲート部も接続されて、それらの光電変換部の非線形なバースト駆動が可能な構成となっている。
【０２３１】
アンチブルーミングゲート部１２１は、第１光電変換部６１と電源VDDとの間に接続されており、アンチブルーミングゲート部１２１のゲート電極には垂直駆動部２２から駆動信号AGLが供給される。この駆動信号AGLがオンとなると、アンチブルーミングゲート部１２１がオンされて、第１光電変換部６１に蓄積されている電荷がアンチブルーミングゲート部１２１を介して排出される。すなわち、第１光電変換部６１の電位が電源電圧VDDのレベルにリセットされる。
【０２３２】
このように光電変換部に対して、転送ゲート部を介して電荷の蓄積領域を接続するとともに、さらにアンチブルーミングゲート部を接続した構成は、光飛行時間計測法により対象物までの距離を測定するToF（Time of Flight）測距センサの機能を実現可能な構成である。したがって、このような画素１１１が設けられた固体撮像素子１１を、ToF測距センサとしても機能させることが可能である。
【０２３３】
特に画素１１１には、より感度の高い第１光電変換部６１と、より感度の低い第２光電変換部６４といった感度の異なる光電変換部が設けられているため、輝度の高い近距離の対象物と輝度の低い遠距離の対象物とを効率的に検出することができる。
【０２３４】
ここで、ToF測距センサについて説明する。
【０２３５】
近年、パーソナルコンピュータ用やゲーム用などのToF測距センサが一般販売されるようになったが、それらのToF測距センサは、Continuous Wave方式と呼ばれる方式で測距が行われるものである。
【０２３６】
Continuous Wave方式では、例えば１フレーム期間である1/60秒内で、対象距離の光飛行時間に応じた周波数で、繰り返し光電変換部のリセット、および光電変換部から電荷蓄積部への電荷の転送が行われる。そして、１フレーム期間で累積的に蓄積された電荷に対応する信号から、対象物までの距離を求める測距演算が行われる。
【０２３７】
しかし、Continuous Wave方式では、外来光やノイズも１フレーム期間、蓄積されてしまうため、日中の屋外や太陽光下での環境光ノイズの影響が大きく、確実に対象物までの距離を測定することができない場合があった。
【０２３８】
近年、車載用のToF測距センサとしては、太陽光を受光できないほどの短い時間に発光から受光までの動作を行うone pulse方式のものが主流となっている。
【０２３９】
例えばこれを２次元化する方法として、1dot光源および１センサで2Dスキャンする方法や、１ライン光源および１ラインセンサで1Dスキャンする方法、2Dフラッシュ光源および2Dセンサでの非スキャン方法があり、それらの方法で測距を行うセンサが商品化されている。
【０２４０】
〈固体撮像素子の動作について〉
一方で、車載ヘッドライトのレーザ化も実現されている。そこで、固体撮像素子１１での受光タイミングを、この車載ヘッドライトである2Dレーザのフラッシュパルス駆動と同期させれば、固体撮像素子１１を用いた測距が可能となる。
【０２４１】
このように固体撮像素子１１をToF測距センサとしても機能させる場合、例えば図１２に示すように固体撮像素子１１を駆動させればよい。ここでは、固体撮像素子１１が搭載された車載センサが装備された車両のヘッドライド、すなわちフラッシュハイビームがToF測距時の光源（パルス発光光源）として使用されるものとする。
【０２４２】
なお、図１２において、折れ線L71はフラッシュハイビームの発光タイミングを示しており、上に突の状態が、フラッシュハイビームが発光した状態を示している。
【０２４３】
また、折れ線L72乃至折れ線L79は、駆動信号RST、駆動信号TGL、駆動信号TGS、駆動信号FDG、駆動信号FCG、駆動信号AGL、駆動信号ABG、および駆動信号SELを示している。また、各駆動信号は図中、上に突の状態がオンとされた状態を示している。さらに、曲線L80乃至曲線L83は、画素信号読み出し時の垂直信号線２７の電位を示している。また、図１２において矢印Q11により示される部分を拡大表示したものが矢印Q12に示す部分となっている。
【０２４４】
固体撮像素子１１において、ToF測距を行うと同時に通常の撮影画像も取得できるようにする場合、one pulse方式で用いられるような、時間を直接読み取るTime to Digital Converterを利用することはできない。
【０２４５】
そこで、固体撮像素子１１では、Continuous Wave方式と同じように、位相の変化を信号レベルの変化に置き換えるPPM（Pulse Phase Modulation）方式を用いるコンビネーション方式により測距が行われる。
【０２４６】
PPM方式では、最低180度位相がずれた駆動検出が必要であるが、近距離の進相は反射光も大きく、遠距離の遅相は反射光が小さいことを利用して、近距離位相を第２光電変換部６４で受け、遠距離位相を第１光電変換部６１で受けるような駆動制御とされる。
【０２４７】
なお、第１光電変換部６１と第２光電変換部６４の感度差は、HDR合成のために事前に分かっているので補正可能である。また背景光やノイズの除去には、フレームシーケンシャル方式が用いられて、信号フレームと背景ノイズフレームの差分を取れるようにされている。さらに、フレームシーケンシャル方式で通常の撮影画像を取得するフレームも加えると、通常のフレームレートに対して３倍から４倍速とすれば、通常の撮影画像の取得とToF測距とを両立することが可能である。
【０２４８】
フレームシーケンシャル方式によるフレームレートの低下が問題となる場合や、動被写体において信号フレームと背景ノイズフレームの差分の時間差が問題となる場合には、第１光電変換部６１と第２光電変換部６４のそれぞれに、転送ゲート部を介した電荷蓄積部をさらにもう１セット追加した2tap構造としてもよい。これにより、フレームレート低下を抑制したり、動被写体時の差分誤差を低減させることができる。このような2tap構造は、ToF測距センサでは一般的な構造である。
【０２４９】
続いて、固体撮像素子１１のより具体的な駆動について説明する。
【０２５０】
この例では、通常の１フレーム分の期間である1/60秒が３つまたは４つのフレームに分割されて、ToF測距と、通常の撮影画像の取得とが行われる。以下では、1/60秒である通常の１フレーム期間を分割して得られたフレームを分割フレームとも称することとする。
【０２５１】
図１２では、期間T41と期間T42のそれぞれが分割フレームの期間を示しており、それらの分割フレームの期間は、例えば1/180秒や1/240秒などとされる。
【０２５２】
まず、最初の分割フレームである期間T41では、垂直駆動部２２はパルス発光光源であるフレッシュハイビームの発光タイミングに基づいて、第１光電変換部６１および第２光電変換部６４での露光を制御することで、光飛行時間計測法による測距を制御する。
【０２５３】
具体的には、フラッシュハイビーム発光直前のタイミングである時刻t141において、垂直駆動部２２は駆動信号RST、駆動信号TGL、駆動信号TGS、駆動信号FDG、駆動信号FCG、駆動信号AGL、および駆動信号ABGをオンする。これにより、リセットゲート部７０、第１転送ゲート部６２、第２転送ゲート部６６、第３転送ゲート部６８、第４転送ゲート部６９、アンチブルーミングゲート部１２１、およびアンチブルーミングゲート部６５がオンする。
【０２５４】
その結果、第１光電変換部６１、FD部６３、ノード８１、電荷蓄積部６７、および第２光電変換部６４が電気的に接続されて、それらの第１光電変換部６１、FD部６３、ノード８１、電荷蓄積部６７、および第２光電変換部６４がリセットされる。
【０２５５】
時刻t142において、垂直駆動部２２は駆動信号TGLおよび駆動信号TGSをオフすることで、第１転送ゲート部６２および第２転送ゲート部６６をオフさせる。これにより、第１光電変換部６１とFD部６３が電気的に切り離されるとともに、第２光電変換部６４と電荷蓄積部６７が電気的に切り離される。
【０２５６】
時刻t143において、垂直駆動部２２は駆動信号FCGをオフすることで第４転送ゲート部６９をオフさせ、電荷蓄積部６７とノード８１を電気的に切り離す。
【０２５７】
そして、フラッシュハイビームの発光タイミングである時刻t144において、垂直駆動部２２は駆動信号ABGをオフすることでアンチブルーミングゲート部６５をオフさせ、第２光電変換部６４のリセットを解除する。これにより、第２光電変換部６４での露光が開始される。
【０２５８】
また、時刻t144では、垂直駆動部２２は駆動信号FDGをオフすることで第３転送ゲート部６８をオフさせ、FD部６３とノード８１を電気的に切り離す。
【０２５９】
時刻t145において、垂直駆動部２２は駆動信号TGSをオンすることで第２転送ゲート部６６をオンさせる。これにより、第２光電変換部６４と電荷蓄積部６７が電気的に接続され、第２光電変換部６４における光電変換により得られた電荷が、第２転送ゲート部６６を介して第２光電変換部６４から電荷蓄積部６７に転送されて蓄積される。
【０２６０】
また、フラッシュハイビームの発光終了タイミングである時刻t146において垂直駆動部２２は、駆動信号TGSをオフすることで第２転送ゲート部６６をオフさせ、第２光電変換部６４からの電荷の転送を終了させる。すなわち、第２光電変換部６４での露光が終了する。
【０２６１】
同時に、時刻t146において、垂直駆動部２２は駆動信号AGLをオフすることでアンチブルーミングゲート部１２１をオフさせ、第１光電変換部６１のリセットを解除する。これにより、第１光電変換部６１での露光が開始される。
【０２６２】
第２光電変換部６４での露光開始に対して、第１光電変換部６１での露光開始の時刻が遅いのは、第２光電変換部６４により近距離にある対象物までの距離を測定するのに対して、第１光電変換部６１により遠距離にある対象物までの距離を測定することを想定しているからである。
【０２６３】
時刻t147において、垂直駆動部２２は駆動信号TGLをオンすることで第１転送ゲート部６２をオンさせる。これにより、第１光電変換部６１とFD部６３が電気的に接続され、第１光電変換部６１における光電変換により得られた電荷が、第１転送ゲート部６２を介して第１光電変換部６１からFD部６３に転送されて蓄積される。
【０２６４】
時刻t148において、垂直駆動部２２は駆動信号TGLをオフすることで第１転送ゲート部６２をオフさせ、第１光電変換部６１からの電荷の転送を終了させる。すなわち、第１光電変換部６１での露光が終了する。
【０２６５】
同時に、時刻t148において、垂直駆動部２２は駆動信号RSTをオフすることでリセットゲート部７０をオフさせ、ノード８１のリセットを解除するとともに、駆動信号ABGをオンすることでアンチブルーミングゲート部６５をオンさせ、第２光電変換部６４をリセットする。
【０２６６】
さらに、時刻t149において、垂直駆動部２２は駆動信号AGLをオンすることでアンチブルーミングゲート部１２１をオンさせ、第１光電変換部６１をリセットする。以上の動作により、ToF測距のためのフラッシュハイビームの発光と、そのフラッシュハイビームの対象物での反射光の受光が行われる。これらの動作は、全ての画素１１１で同時に行われる。
【０２６７】
ここで、時刻t148および時刻t149において、第２光電変換部６４および第１光電変換部６１をリセット状態とするのは、露光終了後に、それらの第２光電変換部６４および第１光電変換部６１における光電変換により得られた電荷が電荷蓄積部６７やFD部６３へと溢れ出てしまうことを防止するためである。
【０２６８】
また、上述したように第２光電変換部６４の露光期間は、時刻t144から時刻t146までの期間T51である。これに対して、第１光電変換部６１の露光期間は、時刻t146から時刻t148までの期間T52である。
【０２６９】
ここで、例えばフラッシュハイビームの発光期間である時刻t144から時刻t146までの期間の長さ、すなわちフラッシュハイビームの発光時間が167nsecであるとする。この場合、光速c=299792458m/sとすると、167nsecの間にフラッシュハイビームは約50mだけ進むことになる。また、期間T51および期間T52の長さはともに167nsecであるとする。
【０２７０】
この場合、期間T51を露光期間とする第２光電変換部６４では、固体撮像素子１１、すなわち固体撮像素子１１を有する車載センサが搭載された車両から、0m乃至25mの間にある対象物で反射して戻ってきたフラッシュハイビームの光を受光することができる。
【０２７１】
これに対して、期間T52を露光期間とする第１光電変換部６１では、固体撮像素子１１から、25m乃至50mの間にある対象物で反射して戻ってきたフラッシュハイビームの光を受光することができる。
【０２７２】
そのため、例えば信号処理部２８等において、第１光電変換部６１での露光で得られた画素信号（以下、大信号とも称する）と、第２光電変換部６４での露光で得られた画素信号（以下、小信号とも称する）とを感度比を補正してから比較することで、固体撮像素子１１から対象物までの距離を算出することができる。
【０２７３】
すなわち、例えば折れ線L71における矢印W11に示すタイミングでパルス発光されたフラッシュハイビームが、固体撮像素子１１からの距離が0mである対象物で反射して戻ってくると、その反射光は矢印W12により示されるタイミングで受光されることになる。この場合、発光されたフラッシュハイビームの光量を１としたときの小信号と大信号に含まれるフラッシュハイビーム成分の量、つまりフラッシュハイビーム成分の小信号と大信号の信号値への配分は小信号：大信号＝1：0となる。
【０２７４】
また、フラッシュハイビームが、固体撮像素子１１から12.5mの位置にある対象物で反射して戻ってくると、その反射光は矢印W13により示されるタイミングで受光されることになり、このときのフラッシュハイビームの配分は、小信号：大信号＝0.5：0.5となる。
【０２７５】
さらにフラッシュハイビームが、固体撮像素子１１から25mの位置にある対象物で反射して戻ってくると、その反射光は矢印W14により示されるタイミングで受光されることになり、このときのフラッシュハイビームの配分は、小信号：大信号＝0：1となる。
【０２７６】
同様にフラッシュハイビームが、固体撮像素子１１から37.5mの位置にある対象物で反射して戻ってくると、その反射光は矢印W15により示されるタイミングで受光されることになり、このときのフラッシュハイビームの配分は、小信号：大信号＝0：0.5となる。
【０２７７】
さらにフラッシュハイビームが、固体撮像素子１１から50mの位置にある対象物で反射して戻ってくると、その反射光は矢印W16により示されるタイミングで受光されることになり、このときのフラッシュハイビームの配分は、小信号：大信号＝0：0となる。
【０２７８】
このように対象物までの距離が0mから50mまでの間では、フラッシュハイビームの小信号と大信号の信号値への配分が線形に（アナログ的に）変化するため、小信号と大信号とを比較することで、対象物までの距離を算出することができる。
【０２７９】
以上のようにしてフラッシュハイビームに対する第１光電変換部６１および第２光電変換部６４での露光が終了すると、垂直駆動部２２は各画素行を順番に画素信号の読み出しを行う画素行として選択していき、各画素１１１から画素信号を読み出していく。
【０２８０】
すなわち、時刻t150において、垂直駆動部２２は駆動信号RSTをオンすることでリセットゲート部７０をオンさせる。また、時刻t150において、垂直駆動部２２は駆動信号SELをオンすることで選択トランジスタ７２をオンさせ、画素１１１を選択状態とする。
【０２８１】
このとき露光動作時に第１光電変換部６１から転送された電荷がFD部６３に蓄積された状態となっている。そのため、FD部６３に蓄積されている電荷の量、すなわち第１光電変換部６１での露光で得られた電荷の量に応じた信号が、増幅トランジスタ７１から選択トランジスタ７２および垂直信号線２７を介してカラム処理部２３へと出力される。これにより、曲線L80に示すようにFD部６３に蓄積されている電荷の量に応じて垂直信号線２７の電位が変化する。
【０２８２】
カラム処理部２３は、このようにして増幅トランジスタ７１から出力された信号を、第１光電変換部６１での露光により得られた画素信号の信号レベルとして読み取る。
【０２８３】
時刻t151において、垂直駆動部２２は駆動信号FDGをオンすることで第３転送ゲート部６８をオンさせ、FD部６３とノード８１とを電気的に接続させる。これにより、FD部６３とノード８１とがリセットされる。
【０２８４】
時刻t152において、垂直駆動部２２は駆動信号FDGをオフすることで第３転送ゲート部６８をオフさせ、FD部６３とノード８１とを電気的に切り離す。
【０２８５】
この場合、FD部６３がリセットされている状態で、FD部６３に蓄積されている電荷の量に応じた信号が、増幅トランジスタ７１から選択トランジスタ７２および垂直信号線２７を介してカラム処理部２３へと出力される。これにより、曲線L80に示すように、リセットされたFD部６３に蓄積されている電荷の量に応じて垂直信号線２７の電位が変化する。
【０２８６】
カラム処理部２３は、このようにして増幅トランジスタ７１から出力された信号を、第１光電変換部６１で得られる画素信号のリセットレベルとして読み取る。
【０２８７】
カラム処理部２３では、以上において得られた第１光電変換部６１についてのリセットレベルと信号レベルとから、第１光電変換部６１での露光により得られた画素信号が生成される。
【０２８８】
時刻t153において、垂直駆動部２２は駆動信号RSTをオフすることでリセットゲート部７０をオフさせ、ノード８１のリセットを解除する。また、時刻t153において、垂直駆動部２２は駆動信号AGLをオフすることでアンチブルーミングゲート部１２１をオフさせ、第１光電変換部６１のリセットを解除する。
【０２８９】
時刻t154において、垂直駆動部２２は駆動信号FDGおよび駆動信号FCGをオンすることで、第３転送ゲート部６８および第４転送ゲート部６９をオンさせる。これにより、電荷蓄積部６７、ノード８１、およびFD部６３が電気的に接続された状態となる。
【０２９０】
電荷蓄積部６７には、露光動作時に第２光電変換部６４から転送された電荷が蓄積されているから、電荷蓄積部６７、ノード８１、およびFD部６３が電気的に接続されると、それらの電荷蓄積部６７、ノード８１、およびFD部６３に、第２光電変換部６４での露光により得られた電荷が蓄積された状態となる。
【０２９１】
すると、電荷蓄積部６７、ノード８１、およびFD部６３に蓄積されている電荷の量に応じた信号が、増幅トランジスタ７１から選択トランジスタ７２および垂直信号線２７を介してカラム処理部２３へと出力される。これにより、曲線L81に示すように、電荷蓄積部６７、ノード８１、およびFD部６３に蓄積されている電荷の量に応じて垂直信号線２７の電位が変化する。
【０２９２】
カラム処理部２３は、このようにして増幅トランジスタ７１から出力された信号を、第２光電変換部６４での露光により得られた画素信号の信号レベルとして読み取る。
【０２９３】
時刻t155において、垂直駆動部２２は駆動信号RSTをオンすることでリセットゲート部７０をオンさせる。これにより、電荷蓄積部６７、ノード８１、およびFD部６３がリセットされる。そして、時刻t156において、垂直駆動部２２は駆動信号RSTをオフすることでリセットゲート部７０をオフさせ、電荷蓄積部６７、ノード８１、およびFD部６３のリセットを解除する。
【０２９４】
この場合、電荷蓄積部６７、ノード８１、およびFD部６３がリセットされた状態で、それらの電荷蓄積部６７、ノード８１、およびFD部６３に蓄積されている電荷の量に応じた信号が、増幅トランジスタ７１から選択トランジスタ７２および垂直信号線２７を介してカラム処理部２３へと出力される。これにより、曲線L81に示すように、リセットされた電荷蓄積部６７、ノード８１、およびFD部６３に蓄積されている電荷の量に応じて垂直信号線２７の電位が変化する。
【０２９５】
カラム処理部２３は、このようにして増幅トランジスタ７１から出力された信号を、第２光電変換部６４で得られる画素信号のリセットレベルとして読み取る。
【０２９６】
カラム処理部２３では、第２光電変換部６４についてのリセットレベルと信号レベルとから、第２光電変換部６４での露光により得られた画素信号が生成される。
【０２９７】
そして、このようにして得られた第１光電変換部６１についての画素信号（大信号）と、第２光電変換部６４についての画素信号（小信号）とが、第１光電変換部６１と第２光電変換部６４との感度比に基づいて補正される。
【０２９８】
時刻t157において、垂直駆動部２２は駆動信号RSTをオンすることでリセットゲート部７０をオンさせるとともに、駆動信号TGLおよび駆動信号TGSをオンすることで、第１転送ゲート部６２および第２転送ゲート部６６をオンさせる。これにより、第１光電変換部６１および第２光電変換部６４と、電荷蓄積部６７、ノード８１、およびFD部６３とがリセットされる。
【０２９９】
その後、時刻t158において、垂直駆動部２２は駆動信号TGLおよび駆動信号TGSをオフすることで、第１転送ゲート部６２および第２転送ゲート部６６をオフさせる。さらに時刻t159において、垂直駆動部２２は駆動信号RSTをオフすることでリセットゲート部７０をオフさせる。これにより、画素１１１の各部のリセットが解除される。
【０３００】
そして、時刻t160において、垂直駆動部２２は駆動信号FCGをオフすることで、第４転送ゲート部６９をオフさせ、時刻t161において、垂直駆動部２２は駆動信号FDGをオフすることで、第３転送ゲート部６８をオフさせる。これにより、電荷蓄積部６７、ノード８１、およびFD部６３が電気的に切り離された状態となる。
【０３０１】
また、時刻t161では、垂直駆動部２２は駆動信号SELをオフすることで選択トランジスタ７２をオフさせ、画素１１１の選択状態を解除する。
【０３０２】
以上のように、期間T41においてフラッシュハイビーム発光時の大信号と小信号が得られると、固体撮像素子１１は、続く期間T42においては期間T41と同じ動作を行い、大信号と小信号を得る。
【０３０３】
但し、期間T42ではフラッシュハイビームは発光しない（非発光）ので、期間T42で得られる大信号と小信号は、フラッシュハイビーム以外の背景光の成分とノイズ成分のみが含まれた信号となる。
【０３０４】
そこで、信号処理部２８は、期間T41で得られた大信号から、期間T42で得られた大信号を減算することで、フラッシュハイビーム成分のみが含まれる大信号を算出する。同様に、信号処理部２８は、期間T41で得られた小信号から、期間T42で得られた小信号を減算することで、フラッシュハイビーム成分のみが含まれる小信号を算出する。
【０３０５】
このようにして得られたフラッシュハイビーム成分のみが含まれる大信号と小信号を比較すれば、より高精度に、かつより確実に対象物までの距離を算出することができる。
【０３０６】
しかも、固体撮像素子１１では、より感度の高い第１光電変換部６１を遠距離にある対象物を検出するのに用い、より感度の低い第２光電変換部６４を近距離にある対象物を検出するのに用いることで、より測距範囲を広くすることができる。また、より感度の高い第１光電変換部６１を遠距離にある対象物の検出に用いることで、遠距離にある対象物までの測距性能を向上させることができる。
【０３０７】
さらに、固体撮像素子１１では、通常の撮影画像を得るときに２つの光電変換部の感度差と、それらの光電変換部での露光時間の制御とにより、シャッタ速度を極端に速くすることを回避することができ、動被写体の滑らかさを表現することができる。
【０３０８】
なお、ここでは第１光電変換部６１と第２光電変換部６４での露光を同時に行って測距を行うようにする例について説明した。しかし、以上において説明したToF測距は、１つの光電変換部と、その光電変換部に接続された電荷を蓄積する領域を用いてフレームシーケンシャルに処理を行うことでも実現可能である。そこで、何れか一方の光電変換部のみを用いて測距を行うようにしてもよい。
【０３０９】
例えばフレームシーケンシャルにToF測距を行う場合、第１光電変換部６１を利用して0m乃至25mまでの間にある対象物を検出するための発光および露光を行い、続いて第１光電変換部６１利用して25m乃至50mまでの間にある対象物を検出するための発光および露光を行うなどとすればよい。なお、この場合、より感度の高い第１光電変換部６１を用いるか、またはよりダイナミックレンジの広い第２光電変換部６４を用いるかは、周囲の環境等、つまり環境光等に応じて選択すればよい。
【０３１０】
さらに期間T42に続く分割フレームでは、図５や図６を参照して説明した駆動により通常の撮影画像の撮影を行ったり、図１０を参照して説明した駆動によりフラッシュハイビームに同期した撮影画像の撮影を行ったりすることができる。
【０３１１】
例えば通常の１フレーム期間を分割したときの１番目および２番目の分割フレームである期間T41および期間T42以降に通常の撮影画像を取り込む場合、通常の撮影画像は、測距への影響がないようにするには、３番目の分割フレームから４番目の分割フレームの間で取り込む４フレームシーケンシャル動作とするのがよい。
【０３１２】
しかし、２番目の分割フレームの各画素行からの画素信号の読み出し後から、電荷の蓄積、すなわち露光を開始することで、３フレームシーケンシャル動作に短縮することもできる。つまり、３番目の分割フレームまでで撮影画像を得ることができる。
【０３１３】
そのような場合には、撮影画像の撮影制御として、２番目の分割フレームでの画素信号の読み出し後、図１０に示した期間T31における第２光電変換部６４の非線形なバースト駆動開始以降の動作、すなわち、時刻t94乃至時刻t111の動作を行うようにすればよい。
【０３１４】
以上において説明した駆動により、通常の撮影画像の取得と、フラッシュハイビームを照明光源とした、車両前方の遠方にある被写体を認識するための撮影画像の取得と、ToF測距とを１つの固体撮像素子１１により実現することができる。これにより、より安価で高機能な車載センサを実現することができる。
【０３１５】
〈撮像装置の構成例〉
さらに、本技術は、車載センサや、監視カメラ、デジタルスチルカメラやビデオカメラ等の撮像装置や、撮像機能を有する携帯端末装置など、光電変換部に固体撮像素子を用いる電子機器全般に対して適用可能である。
【０３１６】
図１３は、本技術を適用した電子機器としての、撮像装置の構成例を示す図である。
【０３１７】
図１３の撮像装置９０１は、レンズ群などからなる光学部９１１、固体撮像素子（撮像デバイス）９１２、およびカメラ信号処理回路であるDSP回路９１３を備える。また、撮像装置９０１は、フレームメモリ９１４、記録部９１５、操作部９１６、および電源部９１７も備える。DSP回路９１３、フレームメモリ９１４、記録部９１５、操作部９１６および電源部９１７は、バスライン９１８を介して相互に接続されている。
【０３１８】
光学部９１１は、被写体からの入射光（像光）を取り込んで固体撮像素子９１２の撮像面上に結像する。固体撮像素子９１２は、光学部９１１によって撮像面上に結像された入射光の光量を画素単位で電気信号に変換して画素信号として出力する。この固体撮像素子９１２は、図１に示した固体撮像素子１１に対応する。
【０３１９】
記録部９１５は、固体撮像素子９１２で撮影された動画像または静止画像を、ビデオテープやDVD(Digital Versatile Disk)等の記録媒体に記録する。
【０３２０】
操作部９１６は、ユーザによる操作の下に、撮像装置９０１が持つ様々な機能について操作指令を発する。電源部９１７は、DSP回路９１３、フレームメモリ９１４、記録部９１５および操作部９１６の動作電源となる各種の電源を、これら供給対象に対して適宜供給する。
【０３２１】
なお、上述した実施形態においては、可視光の光量に応じた信号を検知する画素が行列状に配置されてなる固体撮像素子に適用した場合を例に挙げて説明した。しかしながら、本技術はそのような固体撮像素子の適用に限られるものではなく、固体撮像素子全般に対して適用可能である。
【０３２２】
〈固体撮像素子の使用例〉
図１４は、上述の固体撮像素子（イメージセンサ）を使用する使用例を示す図である。
【０３２３】
上述した固体撮像素子は、例えば、以下のように、可視光や、赤外光、紫外光、X線等の光をセンシングする様々なケースに使用することができる。
【０３２４】
・ディジタルカメラや、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、交通の用に供される装置
・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、TVや、冷蔵庫、エアーコンディショナ等の家電に供される装置
・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用に供される装置
・防犯用途の監視カメラや、人物認証用途のカメラ等の、セキュリティの用に供される装置
・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、美容の用に供される装置
・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、スポーツの用に供される装置
・畑や作物の状態を監視するためのカメラ等の、農業の用に供される装置
【０３２５】
また、本技術の実施の形態は、上述した実施の形態に限定されるものではなく、本技術の要旨を逸脱しない範囲において種々の変更が可能である。
【０３２６】
さらに、本技術は、以下の構成とすることも可能である。
【０３２７】
（１）
複数の単位画素が配置されている画素アレイ部と、
前記単位画素の動作を制御する駆動部と
を備え、
前記単位画素は複数の光電変換部を有し、
前記複数の前記光電変換部のうちの１または複数の前記光電変換部には、前記光電変換部ごとに、
前記光電変換部における光電変換により得られた電荷を転送する転送ゲートと、
前記転送ゲートを介して前記光電変換部から転送された電荷を蓄積する電荷蓄積部と、
前記光電変換部をリセットするアンチブルーミングゲート部と
が接続されている
固体撮像素子。
（２）
前記駆動部は、前記１または複数の前記光電変換部について、１フレーム期間において前記光電変換部をリセットしてから前記光電変換部の露光を行う露光動作と、前記露光により得られた電荷を前記電荷蓄積部に転送する転送動作とを複数回繰り返すバースト駆動を行う
（１）に記載の固体撮像素子。
（３）
前記駆動部は、前記露光動作時の露光時間を変化させながら前記バースト駆動を行う
（２）に記載の固体撮像素子。
（４）
前記駆動部は、前記バースト駆動による複数回の前記露光の重心位置と、前記バースト駆動を行わない前記光電変換部の露光の重心位置とが略一致するように、前記バースト駆動を行わない前記光電変換部の露光を制御する
（２）または（３）に記載の固体撮像素子。
（５）
前記駆動部は、前記光電変換部の露光が所定のパルス光源の発光に同期するように、前記光電変換部の露光を制御する
（１）乃至（４）の何れか一項に記載の固体撮像素子。
（６）
前記駆動部は、所定のパルス光源の発光タイミングに基づいて前記光電変換部の露光を制御することで、光飛行時間計測法による測距を制御する
（１）に記載の固体撮像素子。
（７）
前記駆動部は、より感度の低い前記光電変換部によって、より近距離にある対象物が検出され、より感度の高い前記光電変換部によって、より遠距離にある対象物が検出されるように、前記光電変換部の露光を制御する
（６）に記載の固体撮像素子。
（８）
複数の単位画素が配置されている画素アレイ部と、
前記単位画素の動作を制御する駆動部と
を備え、
前記単位画素は複数の光電変換部を有し、
前記複数の前記光電変換部のうちの１または複数の前記光電変換部には、前記光電変換部ごとに、
前記光電変換部における光電変換により得られた電荷を転送する転送ゲートと、
前記転送ゲートを介して前記光電変換部から転送された電荷を蓄積する電荷蓄積部と、
前記光電変換部をリセットするアンチブルーミングゲート部と
が接続されている固体撮像素子の駆動方法であって、
前記駆動部が、前記１または複数の前記光電変換部について、１フレーム期間において前記光電変換部をリセットしてから前記光電変換部の露光を行う露光動作と、前記露光により得られた電荷を前記電荷蓄積部に転送する転送動作とを複数回繰り返すバースト駆動を行う
ステップを含む駆動方法。
（９）
複数の単位画素が配置されている画素アレイ部と、
前記単位画素の動作を制御する駆動部と
を備える固体撮像素子を有し、
前記単位画素は複数の光電変換部を有し、
前記複数の前記光電変換部のうちの１または複数の前記光電変換部には、前記光電変換部ごとに、
前記光電変換部における光電変換により得られた電荷を転送する転送ゲートと、
前記転送ゲートを介して前記光電変換部から転送された電荷を蓄積する電荷蓄積部と、
前記光電変換部をリセットするアンチブルーミングゲート部と
が接続されている
電子機器。
【符号の説明】
【０３２８】
１１  固体撮像素子，  ２１  画素アレイ部，  ２２  垂直駆動部，  ２３  カラム処理部，  ５１  画素，  ６１  第１光電変換部，  ６２  第１転送ゲート部，  ６３  FD部，  ６４  第２光電変換部，  ６５  アンチブルーミングゲート部，  ６６  第２転送ゲート部，  ６７  電荷蓄積部，  ６８  第３転送ゲート部，  １１１  画素，  １２１  アンチブルーミングゲート部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【国際調査報告】
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