(57)【要約】【課題】ダイナミックレンジの広さの点で有利な撮像装置を提供する。【解決手段】入射した光から電荷に変換する光電変換部ＰＤと、電荷を蓄積する電荷蓄積部Ｔｒ６と、電荷蓄積部Ｔｒ６に蓄積された蓄積電荷を掃出して電荷蓄積部Ｔｒ６をリセットするリセット部Ｔｒ１とを有する画素が配置された撮像素子において、電荷蓄積部Ｔｒ６に蓄積される蓄積電荷量の閾値を設定する閾値設定部５と、蓄積電荷量が閾値を超えるか否かを判断する判断部６と、閾値を超えたと判断部６が判断した場合に、リセット部Ｔｒ１が電荷蓄積部Ｔｒ６をリセットするようにリセット部Ｔｒ１を制御する制御部２と、リセット部Ｔｒ１によるリセット回数を記憶する記憶部１と、を有する。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
入射した光から電荷に変換する光電変換部と、前記電荷を蓄積する電荷蓄積部と、前記電荷蓄積部に蓄積された蓄積電荷を掃出して前記電荷蓄積部をリセットするリセット部とを有する画素が配置された撮像素子において、
前記電荷蓄積部に蓄積される蓄積電荷量の閾値を設定する閾値設定部と、
前記蓄積電荷量が前記閾値を超えるか否かを判断する判断部と、
前記閾値を超えたと前記判断部が判断した場合に、前記リセット部が前記電荷蓄積部をリセットするように前記リセット部を制御する制御部と、
前記リセット部によるリセット回数を記憶する記憶部と、
を有することを特徴とする撮像素子。
【請求項２】
所定の露光時間を経過した時点における前記蓄積電荷量と、前記閾値と、前記リセット回数とに基づいて得られた計測電荷量から、前記光電変換部で変換された電荷を復調する復調手段を有することを特徴とする請求項１に記載の撮像素子。
【請求項３】
前記復調手段は、前記閾値と前記リセット回数とを乗じて得られた掃出電荷量と、所定の露光時間を経過した時点における前記蓄積電荷量とを加算して前記計測電荷量を算出する合成部を有することを特徴とする請求項２に記載の撮像素子。
【請求項４】
前記復調手段は、前記撮像素子内の温度に基づいて前記閾値の補償を行う温度補償部を有することを特徴とする請求項２または３に記載の撮像素子。
【請求項５】
前記閾値設定部は、前記計測電荷量と、該計測電荷量に含まれるノイズとの比で決まる値が所定の値となるために必要な電荷量に基づいて、前記閾値を設定することを特徴とする請求項２乃至４のいずれか１項に記載の撮像素子。
【請求項６】
所定の露光時間を経過した時点における前記計測電荷量が、前記必要な電荷量より少ない場合は、前記合成部は前記計測電荷量が無効であることを示す識別子を出力することを特徴とする請求項５に記載の撮像素子。
【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】
撮像装置に用いられるＣＣＤセンサやＣＭＯＳセンサ等の撮像素子は、撮像した被写体像を画素単位で光電変換し、光の強度に応じた映像信号に変換して、画像信号処理を行う。明るい被写体と暗い被写体との輝度差が大きいシーンにおいては、撮像素子のダイナミックレンジの広さが不十分だと、両被写体を適性露光で撮像することは困難である。例えば、計測用途の撮像素子では、傾斜粗面と正反射面や溶接面と金属面など輝度差が非常に大きい条件で撮像をする場合が多くみられる。ダイナミックレンジを拡大する撮像素子としては、同一のセンサで連続的に露光時間の異なる複数の画像を撮像して合成する撮像素子（特許文献１）や入射光の強度に対して対数応答する撮像素子（特許文献２）がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特許第３５７５６９３号公報
【特許文献２】米国特許第６８１５６８５号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、特許文献１および２に記載の撮像素子によるダイナミックレンジの拡大範囲は、センサが蓄積できる電荷の飽和量（飽和電荷量）により制限されるため、撮像する被写体によっては、十分なダイナミックレンジを得ることが困難である。
【０００５】
本発明は、例えば、ダイナミックレンジの広さの点で有利な撮像素子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】
【０００６】
上記課題を解決するために、本発明は、入射した光から電荷に変換する光電変換部と、電荷を蓄積する電荷蓄積部と、電荷蓄積部に蓄積された蓄積電荷を掃出して電荷蓄積部をリセットするリセット部とを有する画素が配置された撮像素子において、電荷蓄積部に蓄積される蓄積電荷量の閾値を設定する閾値設定部と、蓄積電荷量が閾値を超えるか否かを判断する判断部と、閾値を超えたと判断部が判断した場合に、リセット部が電荷蓄積部をリセットするようにリセット部を制御する制御部と、リセット部によるリセット回数を記憶する記憶部と、を有することを特徴とする。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、例えば、ダイナミックレンジの広さの点で有利な撮像素子を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】光電変換された電荷量と出力電荷量との関係を示す図である。
【図２】本発明の原理を示す概念図である。
【図３】本発明の撮像素子に蓄積された電荷の掃出回数とダイナミックレンジとの関係を示す図である。
【図４】本発明の撮像素子の構成を示す図である。
【図５】本発明の撮像素子のマトリクス構成を示す図である。
【図６】本発明の撮像素子の動作シーケンスを示すフローチャートである。
【図７】電荷掃出回数と最終電荷蓄積量の読み出し方法を示す図である。
【図８】電荷掃出回数と最終電荷蓄積量の合成方法を示す図である。
【図９】裏面照射型の撮像素子の受光構成を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下、本発明を実施するための形態について図面などを参照して説明する
【００１０】
最初に、飽和電荷量とダイナミックレンジとの関係について図１を用いて説明する。図１の横軸は光電変換された電荷量（入力電荷量）、縦軸は出力電荷量である。実線は、撮像素子が出力する電荷量であり、鎖線は撮像素子が出力する電荷量に含まれる光ショット・ノイズである。光ショット・ノイズNphは式（１）で表される。
【数１】
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ここで、Ｓは撮像素子が出力する電荷量である。本発明においては、撮像素子が出力する電荷量とノイズとから算出されるＳ／Ｎ比が４０ｄＢ以上の受光領域が撮像のために十分なダイナミックレンジとする。図中の網掛け部分が４０ｄＢ以上のダイナミックレンジである。例えば、飽和電荷量が１０，０００ｅ−を下回ると、４０ｄＢ以上のＳ／Ｎ比を得ることができない。また、飽和電荷量によって、得ることができるＳ／Ｎ比が制限される。６０ｄＢ以上のＳ／Ｎ比を得るためには、上記式（１）によれば、１，０００，０００ｅ−以上の飽和電荷量が必要になる。撮像素子の蓄積した電荷が飽和電荷量に達すると、光電変換された電荷に対する出力電荷量は少なくなる。すなわち、図１中の実線の傾きが零に近づく。本発明の撮像素子では、飽和電荷量によらずに必要なダイナミックレンジを得ることができる。
【００１１】
（第１実施形態）
図２は本発明の原理を示す概念図である。状態１は、撮像素子が１０，０００ｅ−の電荷（容器内の淡く塗りつぶされた部分）を蓄積した状態を示している。このときのノイズ（容器の底の濃く塗りつぶされた部分）は式（１）より１００ｅ−となり、Ｓ／Ｎ比は４０ｄＢとなる。撮像素子が蓄積した電荷量（蓄積電荷量）を予め設定した閾値と比較し、閾値に達した場合、状態２のように蓄積した電荷をすべて掃出する。掃出した回数は撮像素子に記憶しておき、状態１および２を所定の露光時間が経過するまで繰り返す。状態３は、所定の露光時間を経過した時点における蓄積電荷量を示している。これを最終蓄積電荷量として撮像素子から読み出す。同時に掃出回数も撮像素子から読み出す。状態４は、撮像素子により計測された電荷の総量（計測電荷量）を示している。この総量は、掃出回数×閾値（本実施形態では１０，０００ｅ−）で算出した掃出電荷量と最終蓄積電荷量との和である。
【００１２】
上記、状態１〜４の撮像によるＳ／Ｎ比について説明する。状態１での蓄積電荷量に含まれるノイズは、上記で示したように１００ｅ−である。状態４における総ノイズ量Ｎは下記式（２）で表わされる。
【数２】
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ここで、Ｎｋはk番目の掃出時に蓄積電荷量に含まれるノイズ量、nは総掃出回数である。式（２）より得られるＮによりＳ／Ｎ比を計算する。なお、計測電荷量がＳ／Ｎ比４０ｄＢを得るために必要な電荷量より少ない場合、撮像素子は、計測電荷量が無効であることを示す識別子を出力する。上述の一連のシーケンスにより、飽和電荷量によらず必要なダイナミックレンジを得ることができる。
【００１３】
図３は、掃出回数とダイナミックレンジとの関係をまとめた表である。ノイズが式（２）のように掃出回数分の２乗和で表わされるため、結果として掃出回数が増える程Ｓ／Ｎ比が高くなっている。本発明の撮像素子は、蓄積電荷量の閾値と掃出回数の設定により、ダイナミックレンジを任意に設定することができる。
【００１４】
図４は本発明の撮像素子の構成を示す図である。本発明の撮像素子は、画素内にフォトダイオード（光電変換部）ＰＤと、ＭＯＳトランジスタＴｒ１〜８と、記憶部１と、電荷掃出制御部（制御部）２と、閾値設定部５と、比較器（判断部）６とを有する。また、画素外に復調手段として、カウント値／最終アナログ値合成部３および温度補償部４を有する。ＰＤは、画素への入射光量を電荷に変換する。Ｔｒ１（リセット部）は、Ｔｒ６（電荷蓄積部）のゲートに設けられたフローティングディフュージョン容量をリセットする（電荷をすべて掃出する）。Ｔｒ５はＰＤに蓄積された電荷をＴｒ６のゲートに設けられたフローティングディフュージョン容量に転送するためのスイッチＭＯＳトランジスタである。Ｔｒ８はＴｒ６で検出された電流のソースフォロワとして機能する。Ｔｒ８からの信号は、Ｔｒ７のゲートに走査回路（不図示）からの入力クロックが与えられたときに、カウント値／最終アナログ値合成部３へ信号出力として取出される。
【００１５】
比較器６は、閾値設定部５で設定された閾値電圧Ｖｔの値と露光時間中に非破壊で読み出したＰＤからの信号とを比較する。信号が閾値電圧Ｖｔ以上になった場合、電荷掃出制御部２はＴｒ１を制御してＴｒ６の電荷を掃出してリセットする。同時に、記憶部１はリセット回数を計数すると共にデジタル値として記憶する。所定の露光時間が経過していなければ、引き続きＰＤによる露光は行われ、再び、電荷が蓄積され始める。所定の露光時間が経過した時点でＴｒ7に入力クロックが与えられ、Ｔｒ８からの信号がカウント値／最終アナログ値合成部３へ信号出力として取出される。
【００１６】
閾値設定部５は、計測電荷量が所望のダイナミックレンジ（例えば、４０ｄＢ以上）を得るために必要な電荷量以上となるように閾値電圧Ｖｔを設定する。また、必要な掃出回数は、閾値電圧Ｖｔに対応する電荷量と、所望のダイナミックレンジ（例えば、４０ｄＢ以上）を得るために必要な電荷量とに基づいて決定される。
【００１７】
閾値設定部５では温度特性に優れたバンドギャップリファレンス電源が使用可能である。この場合は、温度補償部４は不要となる。なお、閾値設定部５は画素外に配置されていてもよい。閾値設定部５にバンドギャップリファレンス電源を使用しない場合は、温度補償部４は、撮像素子内の温度検出信号（不図示）を受け蓄積電荷量の閾値の補償を行う。カウント値／最終アナログ値合成部３は、記憶部１に記憶されたリセット回数に蓄積電荷量の閾値（温度補償された場合は、補償された閾値）を乗算して得られた掃出電荷量と、所定の露光時間を経過した時点でＴｒ８から取出される最終アナログ値とを加算する。これにより１画素分の電荷信号が復調される。カウント値／最終アナログ値合成部３および温度補償部４は、高速演算法を用いて撮像素子の読み出し部に設ける。なお、これらは撮像素子内に配置されていてもよい。
【００１８】
図５には、図４で示した本発明の撮像素子をマトリクス上に配置した構成例を示す。簡単のため全体回路の内の３×３画素構成を示している。本撮像素子では、行毎に走査し読み出す方法が採られている。本撮像素子は、行走査のための垂直走査回路１１と、列走査のための水平走査回路１２と、画素１０と、列選択ＭＯＳトランジスタ１３と、電流負荷１４と、アンプ１５を有する。画素１０は、図４で示した撮像素子の画素と同様のものである。垂直走査回路１１からのΦｔｘ、ΦｒｅｓおよびΦｓｅｌは、それぞれ図４で示す同符号の制御線と接続している。簡略化のため、制御線はこの３本のみを示している。各画素からの光電信号は電流負荷１４が接続された１本の信号出力線で水平走査回路１２（不図示の水平シフトレジスタ、マルチプレクサ）と列選択ＭＯＳトランジスタ１３を介してアンプ１５に出力される。列選択ＭＯＳトランジスタ１３は水平走査回路１２からの信号によって動作し、列方向の信号線を選択するためのスイッチである。
【００１９】
撮像素子の動作シーケンスを図６のフローチャートにより説明する。先ず、撮像（露光）開始時に電荷のリセットを行う（Ｓ１）。この状態で光電変換電荷のＰＤの蓄積容量への蓄積が始まる。Ｓ２では、非破壊読み出しした蓄積電荷が閾値設定部５で設定した閾値電圧Ｖｔ以上になったか否かの判定を行う。もし、閾値以上になっていれば、Ｓ３で電荷掃出制御部２はＴｒ１を制御してＴｒ６の電荷を掃出してリセットする。閾値より低ければＳ２の判定を繰り返す。Ｓ４では、記憶部１が掃出回数を計数し、デジタル値として記憶する。Ｓ５では、露光時間が終了したか否かの判定を行う。露光時間が終了していれば、Ｓ６でＴｒ７に入力クロックが与えられ、Ｔｒ８からの信号がカウント値／最終アナログ値合成部３へ信号出力として取出される。露光時間が終了していなければＳ２の判定から繰り返す。
Ｓ７では、カウント値／最終アナログ値合成部３が記憶部１に記憶されたリセット回数に蓄積電荷量の閾値（温度補償された場合は、補償された閾値）を乗算して得られた掃出電荷量と、露光時間終了時にＴｒ８から取出される最終アナログ値とを加算する。この処理により画素毎の光電変換信号の復調が行われる。Ｓ８で記憶部１に記憶された掃出回数をリセットする。この露光処理はフレームレートのタイミングに同期して繰り返される。
【００２０】
このように、本発明の撮像素子は、蓄積電荷量の閾値と掃出回数の設定により、ダイナミックレンジを任意に設定することができ、ダイナミックレンジの広さの点で有利な撮像素子を提供することができる。
【００２１】
図7は電荷掃出回数、および、最終蓄積電荷量の読み出し手段に係る図である。Ｔ１は露光時間、Ｔ２は露光時間終了時にＴｒ８に蓄積された電荷量をアナログ値Ｖｓｉｇで読み出す期間、Ｔ３は電荷掃出回数を読み出す期間である。電荷掃出回数は、露光開始時の電位Ｖｓｓと蓄積電荷が閾値に達した時の電位Ｖｓｓとの振幅のデジタル値で読み出す。
【００２２】
図８はカウント値／最終アナログ値合成部３が行う信号の合成方法を示した図である。本実施形態では、蓄積電荷量の閾値を２１０＝１０２４と設定することでバレルシフタを用いて信号を合成している。具体的には、先ず、電荷掃出回数のデジタル値を１０ビット左にシフトする（蓄積電荷量の閾値を２１０としているため）。出力信号（デジタル値）として、掃出回数および最終蓄積電荷量のデジタル値が得られる。続いて、最終蓄積電荷量のアナログ値をＡ／Ｄ変換を行いデジタル値に変換する。これにより、掃出回数と閾値電荷量の乗算結果と最終蓄積電荷量との加算を行うことができる。なお、合成方法としては、バレルシフタを用いた方法に限られず、例えば、掃出回数を画素内でアナログ値に変換し読み出すことによって、閾値電荷の相当量の乗算演算と最終蓄積電荷量との加算演算をアナログ演算で行うことも可能である。また、画素内にＡ／Ｄ変換器を設け、最終信号をデジタル値として読み出し、デジタル値として読み出した掃出回数と閾値電荷量の乗算演算と最終蓄積電荷量との加算演算を全てデジタル演算行うことも可能である。
【００２３】
本実施形態における撮像素子は、図９に示す様ないわゆる裏面照射型の撮像素子を用いてもよい。図９の裏面照射型の撮像素子は、入射光２１が撮像素子の裏面から照射される構造を示している。この撮像素子は、フォトダイオード２０と、基板２２と、トランジスタ２３および２４と、蓄積容量２５乃至２７と、配線２８乃至３３を有する。この構造によれば、飽和電荷量の拡大によるノイズの逓減や画素内処理回路の配置サイズ制約解決の点で有利となる。
【００２４】
以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明は、これらの実施形態に限定されず、その要旨の範囲内で種々の変形および変更が可能である。
【符号の説明】
【００２５】
ＰＤ      フォトダイオード（光電変換部）
Ｔｒ１    ＭＯＳトランジスタ（リセット部）
Ｔｒ６    ＭＯＳトランジスタ（電荷蓄積部）
１        記憶部
２        電荷掃出制御部（制御部）
５        閾値設定部
６        比較器（判断部）
【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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