(57)【要約】  固体撮像装置は、複数の画素を有する固体撮像素子（４）と、固体撮像素子（４）の全画素に光が入射する状態、又は、固体撮像素子（４）の全画素を遮光する状態にする液晶シャッター（２）とを備え、露光中は液晶シャッター（２）により全画素に光が入射する状態にし、露光中以外は液晶シャッター（２）により全画素を遮光する状態にして動画撮影を行う。
2008004302.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の画素を有する固体撮像素子と、
前記複数の画素に光が入射する状態、又は、前記複数の画素を遮光する状態にする液晶シャッターとを備え、
露光中は前記液晶シャッターにより前記複数の画素に光が入射する状態にし、露光中以外は前記液晶シャッターにより前記複数の画素を遮光する状態にして動画撮影を行う、
ことを特徴とする固体撮像装置。
【請求項２】
前記複数の画素を制御する画素制御手段と、
前記画素から出力される信号を読み出す読出手段と、
前記各手段と前記液晶シャッターを制御する制御手段とを備え、
前記動画撮影時に、前記液晶シャッターにより前記複数の画素を遮光する状態にして、前記複数の画素をリセットし、次に、前記液晶シャッターにより前記複数の画素に光が入射する状態にして、前記複数の画素にて同時に露光を行い、次に、前記液晶シャッターにより前記複数の画素を遮光する状態にして、前記画素から出力される信号を読み出すように、前記制御手段は前記各手段と前記液晶シャッターを制御する、
ことを特徴とする請求項１記載の固体撮像装置。
【請求項３】
前記複数の画素の各画素は、光電変換素子、転送用素子、リセット用素子、増幅用素子、及び選択用素子を有し、
前記動画撮影時に、前記液晶シャッターにより前記複数の画素を遮光する状態にして、前記複数の画素の各画素において前記リセット用素子及び前記転送用素子を制御して前記光電変換素子をリセットし、次に、前記液晶シャッターにより前記複数の画素に光が入射する状態にして、前記複数の画素にて同時に露光を行い、次に、前記液晶シャッターにより前記複数の画素を遮光する状態にして、前記複数の画素の各画素について、前記リセット用素子と前記選択用素子を制御して出力させた第１の信号を読み出し、続いて前記転送用素子と前記選択用素子を制御して出力させた第２の信号を読み出し、続いて前記第２の信号から前記第１の信号を差し引くように、前記制御手段は前記各手段と前記液晶シャッターを制御する、
ことを特徴とする請求項２記載の固体撮像装置。
【請求項４】
前記動画撮影時に、前記制御手段は、最初に行われる前記光電変換素子のリセットを前記複数の画素にて同時に行うように制御する、
ことを特徴とする請求項３記載の固体撮像装置。
【請求項５】
前記固体撮像素子は、ＣＭＯＳイメージセンサである、
ことを特徴とする請求項２記載の固体撮像装置。
【請求項６】
前記複数の画素の各画素に対応して設けられた第１の電荷転送手段と、
前記複数の画素の各列に対応して設けられた第２の電荷転送手段と、
前記第２の電荷転送手段の各々に接続された第３の電荷転送手段と、
電荷を電気信号に変換する増幅手段と、
前記各手段と前記液晶シャッターを制御する制御手段とを備え、
前記動画撮影時に、前記液晶シャッターにより前記複数の画素を遮光する状態から前記複数の画素に光が入射する状態にして、前記複数の画素にて同時に露光を行い、次に、前記液晶シャッターにより前記複数の画素を遮光する状態にして、前記第１の転送手段により各画素で発生した電荷をそれぞれ対応する前記第２の電荷転送手段へ転送し、次に、前記第２及び前記第３の電荷転送手段により電荷を更に前記増幅手段へ転送して前記増幅手段により電気信号に変換するように、前記制御手段は前記各手段と前記液晶シャッターを制御する、
ことを特徴とする請求項１記載の固体撮像装置。
【請求項７】
前記固体撮像素子は、ＣＣＤイメージセンサである、
ことを特徴とする請求項６記載の固体撮像装置。
【請求項８】
前記制御手段は、被写体の明るさに応じて求められた露光時間に応じて、前記複数の画素に光が入射する状態の時間を制御する露光時間制御手段を備える、
ことを特徴とする請求項１乃至７の何れか一つに記載の固体撮像装置。
【請求項９】
前記液晶シャッターは、導電性接着剤による接着、又は、前記液晶シャッターに影響が無い程度の低温で処理可能な半田バンプによる接合によって、前記固体撮像素子上に設けられる、
ことを特徴とする請求項１乃至８の何れか一つに記載の固体撮像装置。
【請求項１０】
複数の画素を有する固体撮像素子と、前記複数の画素に光が入射する状態、又は、前記複数の画素を遮光する状態にする液晶シャッターとを備えた固体撮像装置の制御方法であって、
露光中は前記液晶シャッターにより前記複数の画素に光が入射する状態にし、露光中以外は前記液晶シャッターにより前記複数の画素を遮光する状態にして動画撮影を行う、
ことを特徴とする固体撮像装置の制御方法。
【請求項１１】
前記固体撮像装置は、前記複数の画素を制御する画素制御手段と、前記画素から出力される信号を読み出す読出手段とを有し、前記動画撮影時に、
前記液晶シャッターにより前記複数の画素を遮光する状態にして、前記複数の画素をリセットし、
前記液晶シャッターにより前記複数の画素に光が入射する状態にして、前記複数の画素にて同時に露光を行い、
前記液晶シャッターにより前記複数の画素を遮光する状態にして、前記画素から出力される信号を読み出す、
ように前記各手段と前記液晶シャッターを制御する、
ことを特徴とする請求項１０記載の固体撮像装置の制御方法。
【請求項１２】
前記固体撮像装置は、前記複数の画素の各画素に対応して設けられた第１の電荷転送手段と、前記複数の画素の各列に対応して設けられた第２の電荷転送手段と、前記第２の電荷転送手段の各々に接続された第３の電荷転送手段と、電荷を電気信号に変換する増幅手段とを有し、前記動画撮影時に、
前記液晶シャッターにより前記複数の画素を遮光する状態から前記複数の画素に光が入射する状態にして、前記複数の画素にて同時に露光を行い、
前記液晶シャッターにより前記複数の画素を遮光する状態にして、前記第１の転送手段により各画素で発生した電荷をそれぞれ対応する前記第２の電荷転送手段へ転送し、
前記第２及び前記第３の電荷転送手段により電荷を更に前記増幅手段へ転送して前記増幅手段により電気信号に変換する、
ように前記各手段と前記液晶シャッターを制御する、
ことを特徴とする請求項１０記載の固体撮像装置の制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、固体撮像装置及びその制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、固体撮像装置に用いられるイメージセンサとして、ＣＭＯＳ（Complementary Metal Oxide Semiconductor）イメージセンサや、ＣＣＤ（Charge Coupled Device）イメージセンサが知られている。【０００３】
ＣＭＯＳイメージセンサにおいては、露光方式として、ローリングシャッター方式（ラインシャッター方式ともいう）とグローバルシャッター方式（同時シャッター方式或いは一括シャッター方式ともいう）がある。【０００４】
ローリングシャッター方式は、リセット、露光、読み出しという一連の撮像シーケンスを、ライン毎に順番に行う方式であり、ＣＭＯＳイメージセンサの中で最も一般的な方式である。この方式では、画像の上下方向において露光タイミングが異なるため、動いている被写体を撮影すると、撮影された被写体が不自然にゆがむという問題がある。【０００５】
一方、グローバルシャッター方式は、全画素において、同時にリセットし、同時に露光し、遮光されたノードへ同時に電荷転送する方式であって、全画素での同時露光を可能にした方式である。この方式では、全画素で露光タイミングが一致するため、動いている被写体を撮影しても、撮影された被写体がゆがむことはない。【０００６】
グローバルシャッター方式のＣＭＯＳイメージセンサにおいて、例えば、各画素が５Ｔｒ型画素回路で構成されたものである場合、各画素回路は、光の照射により電荷を発生するフォトダイオードと、フォトダイオードから電荷保持領域へ電荷を転送する第１の転送用トランジスタと、電荷保持領域から信号の読み出し箇所となる読み出しノードへ電荷を転送する第２の転送用トランジスタと、読み出しノードをリセットするリセット用トランジスタと、増幅用トランジスタと、ライン選択を行う選択用トランジスタとを有している。このような構成のＣＭＯＳイメージセンサでは、全画素回路において同時にフォトダイオードから電荷保持領域に電荷転送されるので、全画素で露光タイミングが一致し、グローバルシャッター機能を実現することができる。しかしながら、画素回路を構成する回路要素が多くなるので画素を小さくできず、小型化・低コスト化できないという問題がある。【０００７】
ＣＣＤイメージセンサにおいては、フレームを構成する全画素で同時に電荷転送した後に順次読み出すようにしているので、電荷転送するまでの露光時間が全画素で一致し、グローバルシャッター機能を実現している。しかしながら、ＣＭＯＳイメージセンサに比べて、チップコストが高価であること、スミアが発生すること、及び、デジタル回路の１チップ化が困難であること、等の欠点がある。尚、スミアが発生するとは、太陽等の高輝度物体を撮影した場合に、転送方向に余剰電荷が移動してしまい、得られた画像に真っ白な縦線が生じてしまう現象をいう。【０００８】
また、固体撮像装置が、メカニカルシャッターを備えたデジタルカメラである場合には、メカニカルシャッターを閉じた状態から開いた状態にして全画素で同時に露光を行い、露光時間経過後にメカニカルシャッターを閉じて読み出しを行うことにより、グローバルシャッター機能を実現することができる。このようにメカニカルシャッターを用いれば、イメージセンサがＣＭＯＳであってもＣＣＤであっても、低ノイズで、スミアの発生を防止し、グローバルシャッター機能を実現することができる。しかしながら、メカニカルシャッターを高速且つ連続的に開閉することは技術的に非常に困難で、それを無理に製作したとしても、サイズ、消費電力、及びコストが著しく増大するという問題がある。【０００９】
本発明は、上記実情に鑑み、高いフレームレートが要求される動画撮影向けのグローバルシャッター機能を有する個体撮像装置及びその制御方法を提供することを目的とする。
【特許文献１】特開平７−７８９５４号公報
【特許文献２】特開２００３−３３２５４６号公報
【特許文献３】特開２００４−１４８０２号公報
【発明の開示】
【００１０】
本発明の第１の態様に係る固体撮像装置は、複数の画素を有する固体撮像素子と、前記複数の画素に光が入射する状態、又は、前記複数の画素を遮光する状態にする液晶シャッターとを備え、露光中は前記液晶シャッターにより前記複数の画素に光が入射する状態にし、露光中以外は前記液晶シャッターにより前記複数の画素を遮光する状態にして動画撮影を行う、ことを特徴とする。
【００１１】
この構成によれば、液晶シャッターを高速の連続シャッターとして機能させることができ、また全画素同時露光が可能になるので、高フレームレートが要求される動画撮影向けのグローバルシャッター機能を有した装置を提供することができる。
【００１２】
また、本発明の第２の態様に係る固体撮像装置は、上記第１の態様において、前記複数の画素を制御する画素制御手段と、前記画素から出力される信号を読み出す読出手段と、前記各手段と前記液晶シャッターを制御する制御手段とを備え、前記動画撮影時に、前記液晶シャッターにより前記複数の画素を遮光する状態にして、前記複数の画素をリセットし、次に、前記液晶シャッターにより前記複数の画素に光が入射する状態にして、前記複数の画素にて同時に露光を行い、次に、前記液晶シャッターにより前記複数の画素を遮光する状態にして、前記画素から出力される信号を読み出すように、前記制御手段は前記各手段と前記液晶シャッターを制御する、ことを特徴とする。
【００１３】
この構成によれば、固体撮像素子として例えばＣＭＯＳイメージセンサを用いても、液晶シャッターにより全画素同時露光が可能になるので、グローバルシャッター機能を有した装置を提供することができる。
【００１４】
また、本発明の第３の態様に係る固体撮像装置は、上記第２の態様において、前記複数の画素の各画素は、光電変換素子、転送用素子、リセット用素子、増幅用素子、及び選択用素子を有し、前記動画撮影時に、前記液晶シャッターにより前記複数の画素を遮光する状態にして、前記複数の画素の各画素において前記リセット用素子及び前記転送用素子を制御して前記光電変換素子をリセットし、次に、前記液晶シャッターにより前記複数の画素に光が入射する状態にして、前記複数の画素にて同時に露光を行い、次に、前記液晶シャッターにより前記複数の画素を遮光する状態にして、前記複数の画素の各画素について、前記リセット用素子と前記選択用素子を制御して出力させた第１の信号を読み出し、続いて前記転送用素子と前記選択用素子を制御して出力させた第２の信号を読み出し、続いて前記第２の信号から前記第１の信号を差し引くように、前記制御手段は前記各手段と前記液晶シャッターを制御する、ことを特徴とする。
【００１５】
この構成によれば、１回のリセットに対し第１及び第２の信号の読み出しが行われて後者から前者が差し引かれるので、増幅用素子の素子バラツキによるノイズだけでなく、ｋＴＣノイズ（リセットノイズ）もキャンセルすることでき、ノイズを少なくしてＳ／Ｎを高くすることができる。
【００１６】
また、本発明の第４の態様に係る固体撮像装置は、上記第３の態様において、前記動画撮影時に、前記制御手段は、最初に行われる前記光電変換素子のリセットを前記複数の画素にて同時に行うように制御する、ことを特徴とする。
【００１７】
この構成によれば、動画撮影時に最初に行われる、全画素の光電変換素子のリセットを、より短時間で行うことができる。
また、本発明の第５の態様に係る固体撮像装置は、上記第１の態様において、前記複数の画素の各画素に対応して設けられた第１の電荷転送手段と、前記複数の画素の各列に対応して設けられた第２の電荷転送手段と、前記第２の電荷転送手段の各々に接続された第３の電荷転送手段と、電荷を電気信号に変換する増幅手段と、前記各手段と前記液晶シャッターを制御する制御手段とを備え、前記動画撮影時に、前記液晶シャッターにより前記複数の画素を遮光する状態から前記複数の画素に光が入射する状態にして、前記複数の画素にて同時に露光を行い、次に、前記液晶シャッターにより前記複数の画素を遮光する状態にして、前記第１の転送手段により各画素で発生した電荷をそれぞれ対応する前記第２の電荷転送手段へ転送し、次に、前記第２及び前記第３の電荷転送手段により電荷を更に前記増幅手段へ転送して前記増幅手段により電気信号に変換するように、前記制御手段は前記各手段と前記液晶シャッターを制御する、ことを特徴とする。
【００１８】
この構成によれば、固体撮像素子として例えばＣＣＤイメージセンサを用いても、露光中以外（例えば電荷転送中）は液晶シャッターにより全画素が遮光されるので、スミアの発生を防止して高画質な画像を得ることができる。
【００１９】
また、本発明は、上記の各態様に係る固体撮像装置の他、固体撮像装置の制御方法として構成することもできる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
本発明は、後述する詳細な説明を、下記の添付図面と共に参照すればより明らかになるであろう。
【図１】実施例１に係る固体撮像装置が備える、撮像素子チップと液晶シャッターの実装構造を示す図である。
【図２】実施例１に係る、液晶シャッターが実装された撮像素子チップの回路構成を示す図である。
【図３】実施例１に係る、動画撮影時の動作を示すタイミングチャートである。
【図４】実施例１の変形例に係る、動画撮影時の動作を示すタイミングチャートである。
【図５】実施例２に係る、液晶シャッターが実装された撮像素子チップの回路構成を示す図である。
【図６】実施例２に係る、動画撮影時の動作を示すタイミングチャートである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
以下、図面を参照しながら本発明の実施の形態を説明する。
【実施例１】
【００２２】
図１は、本発明の実施例１に係る固体撮像装置が備える、撮像素子チップと液晶シャッターの実装構造を示す図である。
同図に示したように、本実施例に係る固体撮像装置においては、撮像素子チップ１上に液晶シャッター２が導電性接着剤３により接着されて実装されている。尚、本実施例では、導電性接着剤３により接着しているが、液晶シャッター２に影響が無い程度の低温で処理可能な半田バンプによる接合によって撮像素子チップ１上に液晶シャッター２を実装することも可能である。【００２３】
撮像素子チップ１は、Ｓｉ基板のＬＳＩであって、各画素が４Ｔｒ型画素回路で構成されたＣＭＯＳイメージセンサ（ＣＭＯＳの固体撮像素子）、読み出し回路、及び制御回路などを搭載している。尚、本実施例では、固体撮像素子としてＣＭＯＳイメージセンサを適用するが、ＣＭＤ（Charge Modulation Device）イメージセンサなどのその他のイメージセンサを適用することも可能である。【００２４】
液晶シャッター２は、透過型の液晶シャッターであって、撮像素子チップ１が搭載する制御回路の制御の下に液晶が透明／不透明に制御され、ＣＭＯＳイメージセンサの全画素に光（映像光）が入射する状態、又は、その全画素を遮光する状態にする。【００２５】
尚、液晶は、既にテレビ、パソコン、ワークステーション等のディスプレイに使われているように、動画に対応して明暗のスイッチングが可能であるので、本実施例では、これを固体撮像装置のシャッターとして用いることで、高速の連続シャッターを実現し、高いフレームレートの動画撮影を可能にしている。液晶シャッター２においては、テレビ程度の動画を表現する程度の高速動作が可能であるとする。【００２６】
図２は、液晶シャッター２が実装された撮像素子チップ１の回路構成を示す図である。
同図において、ＣＭＯＳイメージセンサ４は、Ｎ行（ライン）×Ｍ列（カラム）の複数の画素で構成されており、各画素の画素回路は、枠５に示すように、４Ｔｒ型画素回路で構成されている。４Ｔｒ型画素回路は、光の照射により電荷を発生する光電変換素子であるフォトダイオード（以下「ＰＤ」という）と、ＰＤから信号の読み出し箇所となる読み出しノード（以下「ＦＤ」という（ＦＤ：Floating Diffusion））へ電荷を転送する転送用素子である転送用トランジスタ（以下「ＴＧ−Ｔｒ」という（ＴＧ：Transfer Gate））と、ＦＤをリセットするリセット用素子であるリセット用トランジスタ（以下「ＲＳＴ−Ｔｒ」という）と、ゲート端子がＦＤに接続された増幅用素子である増幅用トランジスタ（以下「ＳＦ−Ｔｒ」という（ＳＦ：Source Follower））と、ＣＭＯＳイメージセンサ４の各カラム出力に共通接続された複数ラインの中から１ラインを選択する選択用素子である選択用トランジスタ（以下「ＳＬＣＴ−Ｔｒ」という）とを備えている。尚、ＲＳＴ−Ｔｒ、ＴＧ−Ｔｒ、ＳＦ−Ｔｒ、及び、ＳＬＣＴ−Ｔｒは、ｎチャンネルのＭＯＳトランジスタである。また、ＲＳＴはＲＳＴ−Ｔｒを制御する信号、ＴＧはＴＧ−Ｔｒを制御する信号、ＳＬＣＴはＳＬＣＴ−Ｔｒを制御する信号、ＶＤＤは電源電圧、ＶＲはリセット電圧を示している。【００２７】
ライン制御回路（画素制御手段の一例）６は、ＣＭＯＳイメージセンサ４の各画素回路をライン毎に制御する。読み出し回路（読出手段の一例）７は、ＣＭＯＳイメージセンサ４の各カラムから出力される各画素の信号を読み出す。また、読み出し回路７はＣＤＳ回路を含み、露光により生じた電荷がＦＤに有る時に読み出した信号から、リセット時に読み出した信号を差し引いた差信号を出力する。ＡＤＣ（ＡＤコンバータ）８は、読み出し回路７の出力であるアナログ信号をデジタル信号に変換して出力する。駆動回路９は、液晶シャッター２を駆動する。【００２８】
制御回路（制御手段の一例）１０は、ライン制御回路６、読み出し回路７、ＡＤＣ８、及び、駆動回路９の各回路を制御する。また、制御回路１０は、当該固体撮像装置が備えるＡＥ（Automatic Exposure）機能により求められた露光時間に応じて露光時間を制御する露光時間制御部１０ａを有し、露光時間制御部１０ａによる制御に応じて各回路の制御も行う。尚、ＡＥ機能により求められる露光時間は、被写体の明るさに応じて求められるものである。また、ＡＥ機能は、撮像素子チップ１に搭載することもできるし、撮像素子チップ１外に搭載することもできる。【００２９】
次に、図２に示した回路構成の動作として、動画撮影時の動作について詳細に説明する。
図３は、本実施例に係る動画撮影時の動作を示すタイミングチャートである。【００３０】
同図において、「シャッター制御信号」は、液晶シャッター２を制御するために制御回路１０から駆動回路９へ出力される信号である。尚、駆動回路９は、このシャッター制御信号に応じて液晶シャッター２を透明／不透明にするように駆動する。【００３１】
また、「１行目制御信号」、「２行目制御信号」、…、「ｊ行目制御信号」、…、「Ｎ行目制御信号」の各制御信号は、制御回路１０の制御の下に、ライン制御回路６からＣＭＯＳイメージセンサ４の各ラインの画素の画素回路へ出力される信号である。これらの各制御信号は、画素回路（図２の枠５参照）における、ＲＳＴ−Ｔｒを制御する信号である「リセット信号」（ＲＳＴ）、ＴＧ−Ｔｒを制御する信号である「転送信号」（ＴＧ）、及び、ＳＬＣＴ−Ｔｒを制御する信号である「選択信号」（ＳＬＣＴ）からなる。【００３２】
また、「読み出し回路ＣＤＳ回路動作」は、ＣＤＳ回路を含む読み出し回路７の動作を示す。また、「ＡＤＣ回路動作」は、ＡＤＣ８の動作を示す。
図３のタイミングチャートに示したように、動画撮影時の動作では、まず、（Ｓ１）シャッター制御信号により、液晶シャッター２を不透明にして、ＣＭＯＳイメージセンサ４の全画素を遮光する。【００３３】
続いて、（Ｓ２）ライン制御回路６からの制御信号により、ＣＭＯＳイメージセンサ４の１行目からＮ行目までライン毎に順番に、各ラインの各画素の画素回路において、次の（Ｓ２ａ）の動作を行う。【００３４】
（Ｓ２ａ）リセット信号と転送信号を同時にＯＮ、ＯＦＦしてＲＳＴ−ＴｒとＴＧ−Ｔｒとを同時にＯＮさせ、ＰＤをリセットする（先行リセット：Ａ１）。
続いて、（Ｓ３）シャッター制御信号により、液晶シャッター２を透明にする。これにより、ＣＭＯＳイメージセンサ４の全画素に同時に光（映像光）が入射し、全画素同時露光が行われる（１フレーム分の露光）。このとき、各画素のＰＤでは、光の照射により電荷が発生する。【００３５】
尚、この（Ｓ３）における液晶シャッター２を透明にしている時間、すなわち露光時間は、当該固体撮像装置が備えるＡＥ機能により求められた露光時間に応じて決定され、露光時間制御部１０ａにより制御される。【００３６】
続いて、（Ｓ４）シャッター制御信号により、液晶シャッター２を再び不透明にして、ＣＭＯＳイメージセンサ４の全画素を再び遮光する。
続いて、（Ｓ５）ライン制御回路６からの制御信号により、ＣＭＯＳイメージセンサ４の１行目からＮ行目までライン毎に順番に、各ラインの各画素の画素回路において、次の（Ｓ５ａ）〜（Ｓ５ｅ）の動作を順に行うと共に、（Ｓ５ｂ）では読み出し回路７も動作させ、（Ｓ５ｄ）では読み出し回路７及びＡＤＣ８も動作させる（１フレーム分の出力動作）。【００３７】
（Ｓ５ａ）リセット信号をＯＮ、ＯＦＦしてＲＳＴ−ＴｒをＯＮさせ、ＦＤをリセットする（読み出しリセット：Ａ２）。
（Ｓ５ｂ）選択信号をＯＮ、ＯＦＦしてＳＬＣＴ−ＴｒをＯＮさせ、ＳＦ−Ｔｒからリセット時の信号を出力させる（選択行リセットレベル読み出し：Ａ３）。ここで出力されたリセット時の信号は、読み出し回路７により読み出される（リセットレベルサンプリング：Ａ４）。【００３８】
（Ｓ５ｃ）転送信号をＯＮ、ＯＦＦしてＴＧ−ＴｒをＯＮさせ、ＰＤに蓄積された電荷をＦＤへ転送する（信号電荷転送：Ａ５）。
（Ｓ５ｄ）選択信号をＯＮ、ＯＦＦしてＳＬＣＴ−ＴｒをＯＮさせ、ＳＦ−Ｔｒから、ＰＤに蓄積された電荷がＦＤへ転送された時の信号を出力させる（選択行信号読み出し：Ａ６）。ここで出力された信号は、読み出し回路７により読み出され（信号読み出し：Ａ７）、読み出し回路７のＣＤＳ回路により、各カラム毎に、上記（Ｓ５ｂ）で読み出されたリセット時の信号が差し引かれ、その差信号が出力される。これにより、リセット時の信号レベルが毎回微妙に異なるリセットノイズ（ｋＴＣノイズ）、及び、カラム毎のＳＦ−Ｔｒの素子バラツキによるノイズを同時にキャンセルすることができる。そして、読み出し回路（ＣＤＳ回路）７から出力された差信号は、ＡＤＣ８によりデジタル信号に変換されて出力される。【００３９】
（Ｓ５ｅ）上記（Ｓ２ａ）と同様に、リセット信号と転送信号を同時にＯＮ、ＯＦＦしてＲＳＴ−ＴｒとＴＧ−Ｔｒとを同時にＯＮさせ、ＰＤをリセットする（先行リセット：Ａ１）。【００４０】
そして、上記（Ｓ５）の動作が完了したら、上記（Ｓ３）へ戻り、同様にして、次の１フレーム分の露光及び出力の動作が開始される。
このように１フレーム分の露光及び出力を繰り返すことによって、動画撮影が行われる。【００４１】
以上、本実施例に係る固体撮像装置によれば、撮像素子チップ１上に実装された液晶シャッター２によって、各画素が４Ｔｒ型画素回路で構成されたＣＭＯＳイメージセンサを用いながらも全画素同時露光を可能にするグローバルシャッター機能を実現することができるので、動いている被写体を撮影しても、撮影された被写体がゆがむことはなく、また、各画素が４Ｔｒ型画素回路で構成されているので、小型化・低コスト化が可能になる。【００４２】
また、液晶シャッター２によりＣＭＯＳイメージセンサ４の全画素への光の入射とその遮光を切り替えることによって、動画撮影時に、その光の入射と遮光を高速且つ連続的に繰り返すことが可能となり、メカニカルシャッターを使用した場合のように、サイズ、消費電力、及びコストが著しく増大するという問題もない。【００４３】
また、本実施例に係る固体撮像装置では、各画素の画素回路として４Ｔｒ型画素回路を用いることによってＰＤを基板内部（撮像素子チップ１内部）に埋め込む構造とすることができるので、基板表面に多数ある結晶欠陥に起因する暗電流ノイズの影響を少なくすることができる。【００４４】
また、本実施例に係る固体撮像装置では、各画素の画素回路として４Ｔｒ型画素回路を用いて、上記（Ｓ５ａ）の１回の読み出しリセットに対し、上記（Ｓ５ｂ）のリセットレベル読み出しと上記（Ｓ５ｄ）の信号読み出しが行われるので、ＣＤＳ回路によって、ＳＦ−Ｔｒの素子バラツキによるノイズだけでなく、ｋＴＣノイズ（リセットノイズ）もキャンセルすることでき、ノイズを少なくしてＳ／Ｎを高くすることができる。【００４５】
尚、本実施例に係る固体撮像装置では、画素回路として４Ｔｒ型画素回路を用いたが、例えば、ＴＧ−Ｔｒを省いた３Ｔｒ型画素回路、又は、２画素でＲＳＴ−ＴｒとＳＦ−ＴｒとＳＬＣＴ−Ｔｒを共用する４Ｔｒ−Ｔｒ共用型画素回路を用いることも可能である。例えば、３Ｔｒ型画素回路を用いた場合には、１フレームについて、液晶シャッター２を不透明にしてリセットを行い、次に透明にして露光を行い、次に不透明にして読み出すということを行うことで、全画素同時露光が可能になる。【００４６】
また、本実施例に係る固体撮像装置において、動画撮影時の動作を図３に示したタイミングチャートを用いて説明したが、このタイミングチャートにおいて最初に行われる上記（Ｓ２）の動作では、ＣＭＯＳイメージセンサ４の１行目からＮ行目までライン毎に順番に、各ラインの各画素の画素回路において上記（Ｓ２ａ）の動作を行うものであったが、これを、図４に示すタイミングチャートのように、ＣＭＯＳイメージセンサ４の全ライン同時に、各ラインの各画素の画素回路において上記（Ｓ２ａ）の動作を行うように構成することもできる。これにより、最初に行われる、全画素の画素回路に対する先行リセットを短時間で行うことができ、フレームレートをより高めることが可能になる。【００４７】
また、本実施例に係る固体撮像装置において、撮像素子チップ１に、カラー処理、ガンマ処理、輪郭補正処理、ＡＷＢ（Automatic White Balance）処理などの画像処理回路を、更に内蔵させるように構成することも可能である。
【実施例２】
【００４８】
本発明の実施例２に係る固体撮像装置は、実施例１に係る固体撮像装置においてＣＭＯＳイメージセンサの代わりにＣＣＤイメージセンサを用いるようにした態様である。すなわち、本実施例に係る固体撮像装置は、ＣＣＤイメージセンサを搭載した撮像素子チップ上に、実施例１と同様に、液晶シャッターを実装し、この液晶シャッターの駆動により、ＣＣＤイメージセンサへの光（映像光）の入射とその遮光を切り替えるようにしたものである。【００４９】
図５は、本実施例に係る固体撮像装置において、液晶シャッターが実装された撮像素子チップの回路構成を示す図である。尚、同図において、図２に示した要素と同一の要素については同一の符号を付している。【００５０】
図５において、ＣＣＤイメージセンサ２１は、Ｎ行（ライン）×Ｍ列（カラム）の複数の画素を有するＩＴ（Interline Transfer）型のＣＣＤイメージセンサであって、各画素にはＰＤが設けられ、各列のＰＤには隣接して垂直転送用ＣＣＤ（第２の電荷転送手段の一例）２２が設けられ、各垂直転送用ＣＣＤ２２には水平転送用ＣＣＤ（第３の電荷転送手段の一例）２３が接続されている。ここで、ＰＤは、光の照射により電荷を発生する光電変換素子であるフォトダイオードである。垂直転送用ＣＣＤ２２は、電荷を垂直方向（水平転送用ＣＣＤ２３の方向）に転送する電荷転送手段である。水平転送用ＣＣＤ２３は、電荷を水平方向（出力アンプ２６の方向）に転送する電荷転送手段である。尚、同図では、模式的に、各垂直転送用ＣＣＤ２２と水平転送用ＣＣＤ２３とを転送方向も含めて太線矢印で示している。但し、垂直転送用ＣＣＤ２２については、１カラム目、２カラム目、及び、最終カラム目のみを示している。また、ＣＣＤイメージセンサ２１において、各ＰＤは、隣接する垂直転送用ＣＣＤと転送ゲート（第１の電荷転送手段の一例，以下「ＴＧＰ」という）を介して接続されている。尚、同図では、一部のＴＧＰのみを「ＴＧＰ」と示している。【００５１】
ライン駆動回路２４は、各ＴＧＰに転送信号（Ｔｆ）として正の電圧パルスを与えて各ＰＤに蓄積された電荷を隣接する垂直転送用ＣＣＤ２２に転送させること、及び、垂直転送用ＣＣＤ２２の転送ゲート群（以下「ＴＧＶ」という）に垂直転送用信号として与える電圧の正のパルス位相を、Ｖφ１，Ｖφ２，Ｖφ３の順に変えて、電荷を垂直方向（水平転送用ＣＣＤ２３の方向）に転送させることを行う。尚、同図では、一部のＴＧＶのみを「ＴＧＶ」と示している。【００５２】
カラム駆動回路２５は、水平転送用ＣＣＤ２３の転送ゲート群（以下「ＴＧＨ」という）に水平転送信号として与える電圧の正のパルス位相を、Ｈφ１，Ｈφ２，Ｈφ３の順に変えて、電荷を水平方向（出力アンプ２６の方向）に転送させることを行う。尚、同図では、一部のＴＧＨのみを「ＴＧＨ」と示している。【００５３】
出力アンプ２６は、転送された電荷を電気信号に変換する増幅手段であって、入力ノードの寄生容量により、転送された電荷に応じた電圧を発生し、これを出力する。
制御回路２７は、ライン駆動回路２４、カラム駆動回路２５、出力アンプ２６、及び、駆動回路９の各回路を制御する。また、制御回路２７は、実施例１と同様に、当該固体撮像装置が備えるＡＥ機能により求められた露光時間に応じて露光時間を制御する露光時間制御部２７ａを有し、露光時間制御部２７ａによる制御に応じて各回路の制御も行う。【００５４】
次に、図５に示した回路構成の動作として、動画撮影時の動作について詳細に説明する。
図６は、本実施例に係る動画撮影時の動作を示すタイミングチャートである。【００５５】
同図において、「シャッター制御信号」は、実施例１と同様に、液晶シャッター２を制御するために制御回路２７から駆動回路９へ出力される信号である。
また、「転送信号  Ｔｆ」は、制御回路２７の制御の下に、ライン駆動回路２４から各ＴＧＰへ出力され、PDから垂直転送用ＣＣＤ２２に電荷を転送する転送パルス信号である。「垂直転送信号  Ｖφ１」，「Ｖφ２」，「Ｖφ３」は、制御回路２７の制御の下に、ライン駆動回路２４から各垂直転送用ＣＣＤ２２のＴＧＶに出力され、垂直転送用ＣＣＤ２２に沿って電荷を転送するパルス信号である。「水平転送信号  Ｈφ１」，「Ｈφ２」，「Ｈφ３」は、制御回路２７の制御の下に、カラム駆動回路２５から水平転送用ＣＣＤ２３のＴＧＨに出力され、水平転送用ＣＣＤ２３に沿って電荷を転送するパルス信号である。【００５６】
また、「ＲＳＴ」は、制御回路２７から出力アンプ２６へ出力され、出力アンプに転送された電荷を電圧に変換する電荷センシングノードをリセットする信号である。電荷センシングノードは、寄生容量のあるアンプの入力ノードであり、さらに具体的には、増幅用トランジスタのゲート端子である。「出力」は、出力アンプ２６の出力信号である。【００５７】
同図のタイミングチャートに示したように、動画撮影時の動作では、まず、（Ｓ１１）シャッター制御信号により、液晶シャッター２を不透明から透明にする。これにより、全画素のＰＤに光（映像光）が入射し、全画素同時露光が行われる（１フレーム分の露光）。このとき、各画素のＰＤでは、光の照射により電荷が発生する。【００５８】
尚、この（Ｓ１１）における液晶シャッター２を透明にしている時間、すなわち露光時間は、当該固体撮像装置が備えるＡＥ機能により求められた露光時間に応じて決定され、露光時間制御部２７ａにより制御される。【００５９】
露光時間分の露光が終了すると、続いて、次の（Ｓ１２）〜（Ｓ１４）を行って、１フレーム分の出力動作を行う。
まず、（Ｓ１２）シャッター制御信号により、液晶シャッターを不透明にして、全画素のＰＤを遮光する。【００６０】
続いて、（Ｓ１３）ライン駆動回路２４から全ＴＧＰに、転送信号（ＴＦ）として正の電圧パルスを与える。これにより各ＰＤに蓄積された電荷がそれぞれ隣接する垂直転送用ＣＣＤ２２に転送される（全画素同時転送）。【００６１】
続いて、（Ｓ１４）１ライン目から最終ライン（Ｎライン）目までについて、ライン毎に順番に、次の（Ｓ１４ａ）及び（Ｓ１４ｂ）の動作である１ライン分の出力動作（１ライン分の電荷を出力アンプ２６で読み出す動作）を行う。【００６２】
（Ｓ１４ａ）ライン駆動回路２４から垂直転送用ＣＣＤ２２のＴＧＶに垂直転送信号として与える電圧の正のパルス位相を、Ｖφ１、Ｖφ２、Ｖφ３の順に変えて、電荷を１ライン分垂直方向（水平転送用ＣＣＤ２３の方向）へ転送する。これにより、１ライン分の電荷が水平転送用ＣＣＤ２３に転送される。【００６３】
（Ｓ１４ｂ）水平転送用ＣＣＤ２３に転送された１ライン分の電荷における、１カラム目から最終カラム（Ｍカラム）目までについて、カラム毎に順番に、次の（Ｓ１４ｂ−１）〜（Ｓ１４ｂ−３）の動作を行う。【００６４】
（Ｓ１４ｂ−１）制御回路２７からの信号（ＲＳＴ）により、出力アンプ２６の入力ノードをリセットする。
（Ｓ１４ｂ−２）ライン駆動回路２４から水平転送用ＣＣＤ２３のＴＧＨに水平転送信号として与える電圧の正のパルス位相を、Ｈφ１、Ｈφ２、Ｈφ３の順に変えて、電荷を１カラム分水平方向（出力アンプ２６の方向）へ転送する。これにより、１カラム分の電荷が出力アンプ２６の入力ノードに転送される。【００６５】
（Ｓ１４ｂ−３）出力アンプ２６では、１カラム分の電荷が入力ノードに転送されると、入力ノードの寄生容量によって、転送された電荷に応じた電圧を発生し、これを出力する。【００６６】
そして、上記（Ｓ１４）の動作が完了したら、上記（Ｓ１１）へ戻り、同様にして、次の１フレーム分の露光及び出力の動作が開始される。
このように１フレーム分の露光及び出力を繰り返すことによって、動画撮影が行われる。【００６７】
以上、本実施例に係る固体撮像装置によれば、ＣＣＤイメージセンサ２１を搭載した撮像素子チップに液晶シャッター２を実装することによって、動画撮影時において、露光中以外は液晶シャッター２により全画素を遮光することができるので、スミアの発生を防止することができる。よって、イメージセンサとしてＣＣＤイメージセンサを用いながらも、スミアのない高速動画撮影が可能となる。【００６８】
液晶シャッター２のようなシャッター手段を備えていない、従来のＣＣＤイメージセンサを備えた固体撮像装置と比較すると、従来の装置では、シャッター手段を備えていないために露光中も全画素に光が入射し続け、ＰＤでは電荷が大量に発生し続ける。このときに太陽等のような高輝度になる箇所の画素では、ＰＤで発生した電荷がＴＧＰを超えて垂直転送用ＣＣＤ２２にあふれ出てしまう。その結果、そのあふれ出た電荷が出力アンプ２６に送られるので、画像には白い縦線、すなわちスミアが発生してしまう。これに対し、本実施例に係る固体撮像装置では、露光中以外は液晶シャッター２により全画素が遮光されるのでＰＤに光が入射せず、スミアの発生は無い。【００６９】
以上、本発明について詳細に説明したが、本発明は上記実施形態に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲において、各種の改良及び変更を行っても良いのはもちろんである。【００７０】
以上、本発明によれば、高いフレームレートが要求される動画撮影向けのグローバルシャッター機能を有する個体撮像装置及びその制御方法を提供することができる。
【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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【手続補正書】
【提出日】平成20年11月4日(2008.11.4)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の画素を有する固体撮像素子と、
前記複数の画素に光が入射する状態、又は、前記複数の画素を遮光する状態にする液晶シャッターと、
前記複数の画素を制御する画素制御手段と、
前記画素から出力される信号を読み出す読出手段と、
前記各手段と前記液晶シャッターを制御する制御手段とを備え、
露光中は前記液晶シャッターにより前記複数の画素に光が入射する状態にし、露光中以外は前記液晶シャッターにより前記複数の画素を遮光する状態にして動画撮影を行い、
前記動画撮影時に、前記液晶シャッターにより前記複数の画素を遮光する状態にして、前記複数の画素をリセットし、次に、前記液晶シャッターにより前記複数の画素に光が入射する状態にして、前記複数の画素にて同時に露光を行い、次に、前記液晶シャッターにより前記複数の画素を遮光する状態にして、前記画素から出力される信号を読み出すように、前記制御手段は前記各手段と前記液晶シャッターを制御する、
ことを特徴とする固体撮像装置。
【請求項２】
前記複数の画素の各画素は、光電変換素子、転送用素子、リセット用素子、増幅用素子、及び選択用素子を有し、
前記動画撮影時に、前記液晶シャッターにより前記複数の画素を遮光する状態にして、前記複数の画素の各画素において前記リセット用素子及び前記転送用素子を制御して前記光電変換素子をリセットし、次に、前記液晶シャッターにより前記複数の画素に光が入射する状態にして、前記複数の画素にて同時に露光を行い、次に、前記液晶シャッターにより前記複数の画素を遮光する状態にして、前記複数の画素の各画素について、前記リセット用素子と前記選択用素子を制御して出力させた第１の信号を読み出し、続いて前記転送用素子と前記選択用素子を制御して出力させた第２の信号を読み出し、続いて前記第２の信号から前記第１の信号を差し引くように、前記制御手段は前記各手段と前記液晶シャッターを制御する、
ことを特徴とする請求項１記載の固体撮像装置。
【請求項３】
前記動画撮影時に、前記制御手段は、最初に行われる前記光電変換素子のリセットを前記複数の画素にて同時に行うように制御する、
ことを特徴とする請求項２記載の固体撮像装置。
【請求項４】
前記複数の画素の各画素に対応して設けられた第１の電荷転送手段と、
前記複数の画素の各列に対応して設けられた第２の電荷転送手段と、
前記第２の電荷転送手段の各々に接続された第３の電荷転送手段と、
電荷を電気信号に変換する増幅手段と、
前記各手段と前記液晶シャッターを制御する制御手段とを備え、
前記動画撮影時に、前記液晶シャッターにより前記複数の画素を遮光する状態から前記複数の画素に光が入射する状態にして、前記複数の画素にて同時に露光を行い、次に、前記液晶シャッターにより前記複数の画素を遮光する状態にして、前記第１の転送手段により各画素で発生した電荷をそれぞれ対応する前記第２の電荷転送手段へ転送し、次に、前記第２及び前記第３の電荷転送手段により電荷を更に前記増幅手段へ転送して前記増幅手段により電気信号に変換するように、前記制御手段は前記各手段と前記液晶シャッターを制御する、
ことを特徴とする請求項１記載の固体撮像装置。
【請求項５】
前記制御手段は、被写体の明るさに応じて求められた露光時間に応じて、前記複数の画素に光が入射する状態の時間を制御する露光時間制御手段を備える、
ことを特徴とする請求項１乃至４の何れか一つに記載の固体撮像装置。
【請求項６】
前記液晶シャッターは、導電性接着剤による接着、又は、前記液晶シャッターに影響が無い程度の低温で処理可能な半田バンプによる接合によって、前記固体撮像素子上に設けられる、
ことを特徴とする請求項１乃至５の何れか一つに記載の固体撮像装置。
【請求項７】
複数の画素を有する固体撮像素子と、前記複数の画素に光が入射する状態、又は、前記複数の画素を遮光する状態にする液晶シャッターとを備えた固体撮像装置の制御方法であって、
露光中は前記液晶シャッターにより前記複数の画素に光が入射する状態にし、露光中以外は前記液晶シャッターにより前記複数の画素を遮光する状態にして動画撮影を行う、
ことを特徴とする固体撮像装置の制御方法。
【請求項８】
前記固体撮像装置は、前記複数の画素を制御する画素制御手段と、前記画素から出力される信号を読み出す読出手段とを有し、前記動画撮影時に、
前記液晶シャッターにより前記複数の画素を遮光する状態にして、前記複数の画素をリセットし、
前記液晶シャッターにより前記複数の画素に光が入射する状態にして、前記複数の画素にて同時に露光を行い、
前記液晶シャッターにより前記複数の画素を遮光する状態にして、前記画素から出力される信号を読み出す、
ように前記各手段と前記液晶シャッターを制御する、
ことを特徴とする請求項７記載の固体撮像装置の制御方法。
【請求項９】
前記固体撮像装置は、前記複数の画素の各画素に対応して設けられた第１の電荷転送手段と、前記複数の画素の各列に対応して設けられた第２の電荷転送手段と、前記第２の電荷転送手段の各々に接続された第３の電荷転送手段と、電荷を電気信号に変換する増幅手段とを有し、前記動画撮影時に、
前記液晶シャッターにより前記複数の画素を遮光する状態から前記複数の画素に光が入射する状態にして、前記複数の画素にて同時に露光を行い、
前記液晶シャッターにより前記複数の画素を遮光する状態にして、前記第１の転送手段により各画素で発生した電荷をそれぞれ対応する前記第２の電荷転送手段へ転送し、
前記第２及び前記第３の電荷転送手段により電荷を更に前記増幅手段へ転送して前記増幅手段により電気信号に変換する、
ように前記各手段と前記液晶シャッターを制御する、
ことを特徴とする請求項７記載の固体撮像装置の制御方法。
【国際調査報告】
2008004302.tif 000009
2008004302.tif 000010
2008004302.tif 000011
2008004302.tif 000012
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