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JP2008228021A - Solid-state imaging device and imaging device - Google Patents

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JP2008228021A
JP2008228021A JP2007064732A JP2007064732A JP2008228021A JP 2008228021 A JP2008228021 A JP 2008228021A JP 2007064732 A JP2007064732 A JP 2007064732A JP 2007064732 A JP2007064732 A JP 2007064732A JP 2008228021 A JP2008228021 A JP 2008228021A
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JP
Japan
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pixel
unit
read
imaging device
signal
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Application number
JP2007064732A
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Japanese (ja)
Inventor
Motofumi Usui
基文 臼井
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Sony Corp
Original Assignee
Sony Corp
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  • Transforming Light Signals Into Electric Signals (AREA)

Abstract

【課題】フォーカルプレイン方式で生じる読み出し時間差に伴う信号出力レベルの減少を修正して適正な信号出力レベルを確保する。
【解決手段】 読み出しトランジスタ12に印加されるバイアス電圧は、印加電圧発生回路30によって画素行毎に可変調整が可能であり、各画素行における印加電圧レベルは、読み出しの早い画素行から読み出しの遅い画素行に行くにしたがって徐々に小さくなるように制御される。したがって、各画素行における読み出しトランジスタ12の印加電圧を適性に調整することにより、各画素行におけるフォトダイオードの容量を変化させ、各フォトダイオードにおける蓄積電子の減少分を相殺し、読み出しタイミングの時間差による画素信号の出力レベルの誤差を吸収し、画面全体で均一な出力を得ることが可能となる。
【選択図】図3
An appropriate signal output level is ensured by correcting a decrease in signal output level accompanying a read time difference caused by a focal plane method.
A bias voltage applied to a read transistor can be variably adjusted for each pixel row by an applied voltage generation circuit, and an applied voltage level in each pixel row is slow to read from a pixel row that is read quickly. It is controlled so as to gradually decrease as it goes to the pixel row. Therefore, by appropriately adjusting the voltage applied to the read transistor 12 in each pixel row, the capacitance of the photodiode in each pixel row is changed, and the decrease in the accumulated electrons in each photodiode is offset, resulting in a time difference in read timing. It is possible to absorb an error in the output level of the pixel signal and obtain a uniform output over the entire screen.
[Selection] Figure 3

Description

本発明は、例えばCMOSイメージセンサのように2次元配列した画素を画素行単位で画素列方向に順次走査し、各画素の信号の読み出しを行う固体撮像装置及び撮像装置に関する。   The present invention relates to a solid-state imaging device and an imaging device that sequentially scan pixels that are two-dimensionally arranged as in a CMOS image sensor in the pixel column direction in units of pixel rows, and read signals from the pixels.

近年、CMOSイメージセンサに代表される増幅型の固体撮像装置の開発が活発化しており、各種のカメラ装置や携帯電話機等に用いられている。
一般にCMOSイメージセンサは、同一半導体基板上に、フォトダイオードを含む複数の画素を2次元方向に配置した画素アレイ部よりなる撮像領域と、この撮像領域の外部に形成された周辺回路領域とを設けたものである。
In recent years, amplification-type solid-state imaging devices represented by CMOS image sensors have been actively developed, and are used in various camera devices and mobile phones.
In general, a CMOS image sensor is provided with an imaging region composed of a pixel array portion in which a plurality of pixels including photodiodes are arranged in a two-dimensional direction on a single semiconductor substrate, and a peripheral circuit region formed outside the imaging region. It is a thing.

そして、撮像領域には、画素アレイ部の各画素毎に、受光量に応じた信号電荷を生成し、蓄積するフォトダイオードと、フォトダイオードの信号電荷をFD(フローティングデフュージョン)部に読み出す読み出しトランジスタ(転送ゲート)と、FDの電位に応じた画素信号を生成する増幅トランジスタと、画素信号を出力する画素を選択する選択トランジスタと、FDをリセットするリセットトランジスタ等の各種画素トランジスタとを設け、各画素のフォトダイオードで検出した信号電荷を各画素トランジスタの駆動によって画素信号に変換し、画素列毎に設けた信号線より出力する。   In the imaging region, a signal charge corresponding to the amount of received light is generated for each pixel of the pixel array unit, and a photodiode to be accumulated and a readout transistor that reads the signal charge of the photodiode to an FD (floating diffusion) unit (Transfer gate), an amplification transistor that generates a pixel signal corresponding to the potential of the FD, a selection transistor that selects a pixel that outputs the pixel signal, and various pixel transistors such as a reset transistor that resets the FD, The signal charge detected by the pixel photodiode is converted into a pixel signal by driving each pixel transistor, and output from a signal line provided for each pixel column.

また、周辺回路領域には、画素アレイ部に各種の制御パルスを供給して画素信号の読み出しを制御する駆動制御回路、読み出された画素信号に対して各種の信号処理を行う信号処理回路、駆動電源を生成する電源制御回路等が設けられている。
また、半導体基板上には、絶縁膜、トランジスタの駆動電極膜、配線膜、遮光膜といった積層膜が順次形成され、さらに平坦化膜等を介してカラーフィルタ、マイクロレンズ等が形成されている。
このようなCMOSイメージセンサでは、各画素トランジスタの駆動によって各画素のフォトダイオードに蓄積した信号電荷を各画素毎に画素信号に変換し、これを画素列毎に出力して後段の信号処理回路に送り、ノイズ除去や信号処理等を施して出力する。
Further, in the peripheral circuit region, a drive control circuit that controls reading of pixel signals by supplying various control pulses to the pixel array unit, a signal processing circuit that performs various signal processing on the read pixel signals, A power supply control circuit for generating a drive power supply is provided.
A laminated film such as an insulating film, a transistor driving electrode film, a wiring film, and a light shielding film is sequentially formed on the semiconductor substrate, and a color filter, a microlens, and the like are further formed through a planarization film.
In such a CMOS image sensor, the signal charge accumulated in the photodiode of each pixel is converted into a pixel signal for each pixel by driving each pixel transistor, and this is output for each pixel column and is output to the signal processing circuit in the subsequent stage. Send, noise removal, signal processing, etc., and output.

また、フォトダイオードとしては、例えばシリコン基板の上層に形成されたP型ウェル領域に対し、N型イオン領域を設けるとともに、その表面にP型イオン領域を設けたHAD構造のものが採用されている。
また、読み出しトランジスタはソース・ドレイン領域のうちの一方をフォトダイオード領域と共有する状態で配置されており、また、読み出しトランジスタのソース・ドレイン領域とリセットトランジスタのソース・ドレイン領域とFD部が共有した構造で形成されている。
そして、フォトダイオードから信号電荷を読み出す際には、読み出しトランジスタがオンしてフォトダイオードの信号電荷をFD部に転送し、これによるFD部の電位変動を増幅トランジスタで検出し、画素信号に変換する。また、信号電荷をリセットする際には、リセットトランジスタがオンしてFD部を電源電位に接続する。
As the photodiode, for example, a photodiode having an HAD structure in which an N-type ion region is provided in a P-type well region formed in an upper layer of a silicon substrate and a P-type ion region is provided on the surface thereof is employed. .
The read transistor is arranged in a state where one of the source / drain regions is shared with the photodiode region, and the FD portion is shared by the source / drain region of the read transistor, the source / drain region of the reset transistor, and the FD portion. It is formed with a structure.
When the signal charge is read from the photodiode, the reading transistor is turned on, the signal charge of the photodiode is transferred to the FD portion, and the potential fluctuation of the FD portion due to this is detected by the amplification transistor and converted into a pixel signal. . When resetting the signal charge, the reset transistor is turned on to connect the FD portion to the power supply potential.

ところで、上述のようなCMOSイメージセンサでは、各種シャッタ等の動作によって全画素で一括して露光を行い、各画素のフォトダイオードに信号電荷を蓄積した後、画素行単位で画素アレイ部を順次走査し、各画素の読み出しトランジスタをオンして信号電荷を読み出し、増幅トランジスタから画素列毎に設けた垂直信号線に出力するような動作となっている。
このようなCMOSイメージセンサで特徴的な動作は、いわゆるフォーカルプレイン方式あるいはフォーカルプレイン読み出しと呼称される場合もある。そこで、以下の説明では、このフォーカルプレインという用語を用いて説明を行うものとする。
(例えば特許文献1参照)
特開2004−140479号公報
By the way, in the CMOS image sensor as described above, all pixels are exposed collectively by operations such as various shutters, signal charges are accumulated in the photodiodes of each pixel, and then the pixel array unit is sequentially scanned in units of pixel rows. Then, the readout transistor of each pixel is turned on to read out the signal charge and output from the amplification transistor to the vertical signal line provided for each pixel column.
Such a characteristic operation of the CMOS image sensor is sometimes called a so-called focal plane method or focal plane reading. Therefore, in the following explanation, the term “focal plane” is used for explanation.
(For example, see Patent Document 1)
JP 2004-140479 A

しかしながら、上記フォーカルプレイン方式を採用した従来のCMOSイメージセンサでは、画素アレイ部の1行目の読み出し期間から最終行の読み出し期間までには時間差が生ずる。
例えば、メカニカルシャッタやフラッシュライト等を用いて画素アレイ部への露光を所定期間実行した後に、フォーカルプレイン読み出しを行う動作を仮定する。
図6はこの場合の読み出し動作を示す説明図であり、垂直ブランキング期間の終了後、画素アレイ部の1行目から読み出しを開始し、最終行まで順次読み出しを実行していく動作を示している。
However, in the conventional CMOS image sensor employing the focal plane method, there is a time difference from the first row readout period to the last row readout period of the pixel array unit.
For example, it is assumed that a focal plane read operation is performed after exposure of the pixel array unit is performed for a predetermined period using a mechanical shutter, a flashlight, or the like.
FIG. 6 is an explanatory diagram showing the readout operation in this case, and shows the operation of starting the readout from the first row of the pixel array section after the vertical blanking period and sequentially executing the readout until the last row. Yes.

ところで、このような動作において、露光期間中にフォトダイオードが飽和した場合、露光終了から各行の読み出し期間までに、フォトダイオードに蓄積された電荷がフローティングデフュージョン部もしくは基板深部側に徐々に漏洩していくことになる。
そして、1行目の読み出しと最終行の読み出しとの時間差により、1行目のフォトダイオードの漏洩量は少なく、最終行に近づくにつれてフォトダイオードの漏洩量は大きくなる。
そのためメカシャッタ等を用いて露光期間と読み出し期間を独立に設けると、1行目の信号出力レベルと比較して、最終行に近づくにつれて信号出力レベルが減少してしまうといった問題があった。
By the way, in such an operation, when the photodiode is saturated during the exposure period, the charge accumulated in the photodiode gradually leaks to the floating diffusion part or the substrate deep part side from the end of exposure to the readout period of each row. It will follow.
Due to the time difference between the reading of the first row and the reading of the last row, the amount of leakage of the photodiodes of the first row is small, and the amount of leakage of the photodiodes increases as approaching the last row.
For this reason, when the exposure period and the readout period are provided independently using a mechanical shutter or the like, there is a problem that the signal output level decreases as it approaches the last line as compared to the signal output level of the first line.

図7はこの場合の動作を示す説明図であり、信号出力レベルが1行目から最終行に進むにつれて徐々に減少していく様子を表している。
このような現象は、特に多画素化された静止画を撮影するデジタルスチルカメラにおいて顕著に生じる問題である。
FIG. 7 is an explanatory diagram showing the operation in this case, and shows how the signal output level gradually decreases as it advances from the first row to the last row.
Such a phenomenon is a problem that particularly occurs in a digital still camera that captures a still image with a large number of pixels.

そこで本発明は、フォーカルプレイン方式で生じる読み出し時間差に伴う信号出力レベルの減少を修正して適正な信号出力レベルを確保することができ、正確な撮像信号を得ることが可能な固体撮像装置及び撮像装置を提供することを目的とする。   Therefore, the present invention corrects a decrease in the signal output level caused by the read time difference caused by the focal plane method, can ensure an appropriate signal output level, and can obtain an accurate imaging signal, and an imaging An object is to provide an apparatus.

上述の目的を達成するため、本発明の固体撮像装置は、それぞれ光電変換部と読み出しゲートを含む複数の画素を2次元配列で配置した画素アレイ部と、前記画素アレイ部の各画素の光電変換部に対し、所定の露光期間によって一斉に信号電荷の蓄積動作を実行させるシャッタ手段と、前記信号電荷を蓄積した各画素を画素行単位で画素列方向に走査し、各画素行毎に読み出しゲートを順次オン・オフ制御して各画素の光電変換部に蓄積された信号電荷を順次読み出す走査手段と、前記信号電荷の読み出す期間中に生じる蓄積電荷レベルの低下に対応して前記読み出しゲートに印加する電圧を可変制御する電圧制御手段とを有することを特徴とする。   In order to achieve the above object, a solid-state imaging device of the present invention includes a pixel array unit in which a plurality of pixels each including a photoelectric conversion unit and a readout gate are arranged in a two-dimensional array, and photoelectric conversion of each pixel in the pixel array unit. And a shutter unit that simultaneously performs signal charge accumulation operation according to a predetermined exposure period, and scans each pixel that accumulates the signal charge in a pixel column direction in a pixel row unit, and reads out a gate for each pixel row. Scanning means for sequentially reading signal charges accumulated in the photoelectric conversion unit of each pixel by controlling on / off of the pixel, and applying to the readout gate in response to a decrease in the accumulated charge level occurring during the signal charge readout period. Voltage control means for variably controlling the voltage to be applied.

また、本発明の撮像装置は、固体撮像装置を用いた撮像部と、前記撮像部を制御する制御部と、前記撮像部を操作する操作部とを有し、前記固体撮像装置は、それぞれ光電変換部と読み出しゲートを含む複数の画素を2次元配列で配置した画素アレイ部と、前記画素アレイ部の各画素の光電変換部に対し、所定の露光期間によって一斉に信号電荷の蓄積動作を実行させるシャッタ手段と、前記信号電荷を蓄積した各画素を画素行単位で画素列方向に走査し、各画素行毎に読み出しゲートを順次オン・オフ制御して各画素の光電変換部に蓄積された信号電荷を順次読み出す走査手段と、前記信号電荷の読み出す期間中に生じる蓄積電荷レベルの低下に対応して前記読み出しゲートに印加する電圧を可変制御する電圧制御手段とを有することを特徴とする。   Moreover, the imaging device of the present invention includes an imaging unit using a solid-state imaging device, a control unit that controls the imaging unit, and an operation unit that operates the imaging unit. A signal charge accumulation operation is simultaneously performed for a pixel array unit in which a plurality of pixels including a conversion unit and a readout gate are arranged in a two-dimensional array and a photoelectric conversion unit of each pixel of the pixel array unit with a predetermined exposure period. Each pixel row in which the signal charge is stored is scanned in the pixel column direction, and the readout gate is sequentially turned on / off for each pixel row and stored in the photoelectric conversion unit of each pixel. Scanning means for sequentially reading out signal charges, and voltage control means for variably controlling the voltage applied to the readout gate in response to a decrease in the accumulated charge level generated during the period of reading out the signal charges. To.

本発明の固体撮像装置及び撮像装置によれば、フォーカルプレイン方式によって被写体の撮像時に、光電変換部から信号電荷が電子が漏洩することにより生じる1行目から最終行にかけての出力の減少を防ぐことができ、画面全体で均一な出力を得ることができ、画質の向上を図ることが可能となる。   According to the solid-state imaging device and the imaging device of the present invention, it is possible to prevent a decrease in output from the first row to the last row caused by leakage of signal charges from the photoelectric conversion unit when an object is imaged by the focal plane method. Therefore, uniform output can be obtained over the entire screen, and the image quality can be improved.

図1は本発明の実施例における固体撮像装置の具体例を示す平面図であり、CMOSイメージセンサの例を示している。また、図2は図1に示す固体撮像装置の画素内の回路構成を示す回路図である。
本実施例の固体撮像装置は、図1に示すように、2次元方向に配置された複数の画素16によって撮像領域を構成する画素アレイ部20と、画素アレイ部20の各画素を垂直方向に走査して画素信号の読み出し動作を制御する垂直走査回路21と、画素アレイ部20の各画素列(カラム)から導かれた垂直信号線28を制御する負荷MOSトランジスタ回路24と、画素アレイ部20の各画素列から読み出された画素信号を取り込み、相関二重サンプリング処理によるノイズ除去を行うCDS回路26と、CDS回路26の画素信号を水平信号線27に出力する水平選択トランジスタ回路26と、水平選択トランジスタ回路26を水平方向に順次選択して画素信号の出力を制御する水平走査回路22とを有する。
そして、水平信号線27に出力された画素信号はバッファアンプを介して後段の回路に伝送される。
FIG. 1 is a plan view showing a specific example of a solid-state imaging device in an embodiment of the present invention, and shows an example of a CMOS image sensor. FIG. 2 is a circuit diagram showing a circuit configuration in a pixel of the solid-state imaging device shown in FIG.
As shown in FIG. 1, the solid-state imaging device of the present embodiment includes a pixel array unit 20 that forms an imaging region by a plurality of pixels 16 arranged in a two-dimensional direction, and each pixel of the pixel array unit 20 is arranged in the vertical direction. A vertical scanning circuit 21 that scans and controls a pixel signal reading operation, a load MOS transistor circuit 24 that controls a vertical signal line 28 led from each pixel column of the pixel array unit 20, and a pixel array unit 20 A CDS circuit 26 that takes in pixel signals read from each pixel column and removes noise by correlated double sampling processing, a horizontal selection transistor circuit 26 that outputs pixel signals of the CDS circuit 26 to a horizontal signal line 27, A horizontal scanning circuit 22 for sequentially selecting the horizontal selection transistor circuit 26 in the horizontal direction and controlling the output of the pixel signal.
The pixel signal output to the horizontal signal line 27 is transmitted to the subsequent circuit through the buffer amplifier.

また、各画素16は、図2に示すように、入射した光を光電変換するフォトダイオード(PD)1と、光電変換された電気信号を転送パルス(ΦTRG)に基づいてフローティングデフュージョン(FD)部3に転送する読み出しトランジスタ(TG)12と、リセットパルス(ΦRST)に基づいてFD部3の電位を電源電圧VDDにリセットするリセットトランジスタ(RST)14、FD部3の電位変動を電圧信号または電流信号に変換する増幅トランジスタ(AMP)13と、選択信号(ΦSEL)に基づいて増幅トランジスタ13の出力を垂直信号線28に接続する選択トランジスタ15とを有する。
したがって、画素16の近傍には、垂直方向に垂直信号線28や電源線23等が配線され、水平方向に読み出し線17、リセット線18、選択線19等が配線されている。
Further, as shown in FIG. 2, each pixel 16 includes a photodiode (PD) 1 that photoelectrically converts incident light, and a floating diffusion (FD) based on a transfer pulse (ΦTRG) of the photoelectrically converted electric signal. A read transistor (TG) 12 transferred to the unit 3; a reset transistor (RST) 14 that resets the potential of the FD unit 3 to the power supply voltage VDD based on a reset pulse (ΦRST); It has an amplification transistor (AMP) 13 that converts it into a current signal, and a selection transistor 15 that connects the output of the amplification transistor 13 to a vertical signal line 28 based on the selection signal (ΦSEL).
Therefore, in the vicinity of the pixel 16, a vertical signal line 28, a power supply line 23, and the like are wired in the vertical direction, and a readout line 17, a reset line 18, a selection line 19, and the like are wired in the horizontal direction.

図3は画素アレイ部のフォーカルプレイン読み出し動作に対する読み出しトランジスタの印加電圧の変化とフォトダイオードの容量変化の関係を示す説明図である。
図3(A)は画素アレイ部20と垂直走査回路21及び水平走査回路22の配置を模式的に示している。
本例において、読み出しトランジスタ(読み出しゲート)12に印加されるバイアス電圧(つまり、読み出しゲートオフ時の印加電圧)は、印加電圧発生回路(電圧制御手段)30によって画素行毎に可変調整が可能な構成となっており、各画素行における印加電圧レベルは、図3(B)に示すように、読み出しの早い画素行から読み出しの遅い画素行に行くにしたがって徐々に小さくなるように制御される。
FIG. 3 is an explanatory diagram showing the relationship between the change in the applied voltage of the readout transistor and the change in the capacitance of the photodiode with respect to the focal plane readout operation of the pixel array section.
FIG. 3A schematically shows the arrangement of the pixel array unit 20, the vertical scanning circuit 21, and the horizontal scanning circuit 22.
In this example, the bias voltage applied to the read transistor (read gate) 12 (that is, the applied voltage when the read gate is off) can be variably adjusted for each pixel row by the applied voltage generation circuit (voltage control means) 30. Thus, as shown in FIG. 3B, the applied voltage level in each pixel row is controlled so as to gradually decrease from the pixel row with early readout to the pixel row with late readout.

そして、このような読み出しトランジスタの印加電圧の変化により、フォトダイオードの見かけ上の容量は、図3(C)に示すように、読み出しの早い画素行から読み出しの遅い画素行に行くにしたがって徐々に大きくなって行く。
一方、フォトダイオードに蓄積された電子は、露光動作からの時間経過に伴って徐々に漏洩が生じるため、読み出しの早い画素行から読み出しの遅い画素行に行くにしたがって徐々に減少していく。
Then, due to such a change in the voltage applied to the readout transistor, the apparent capacitance of the photodiode is gradually increased from a pixel row with fast readout to a pixel row with slow readout as shown in FIG. Going bigger.
On the other hand, since the electrons accumulated in the photodiode gradually leak with the passage of time from the exposure operation, the electrons gradually decrease from the pixel row that is read quickly to the pixel row that is read slowly.

したがって、本実施例では、各画素行における読み出しトランジスタ12の印加電圧を適性に調整することにより、各画素行におけるフォトダイオードの容量を変化させ、各フォトダイオードにおける蓄積電子の減少分を相殺し、読み出しタイミングの時間差による画素信号の出力レベルの誤差を吸収し、画面全体で均一な出力を得ることが可能となる。   Therefore, in this embodiment, by appropriately adjusting the voltage applied to the read transistor 12 in each pixel row, the capacitance of the photodiode in each pixel row is changed, and the decrease in accumulated electrons in each photodiode is offset. It is possible to absorb an error in the output level of the pixel signal due to a time difference in readout timing and obtain a uniform output over the entire screen.

読み出しトランジスタに対する印加電圧は、例えば画素行毎に設けたチャージポンプ回路等によるレベルシフタにより制御することが可能である。
図4は本実施例で印加電圧発生回路に用いることができるチャージポンプ回路の構成例を示す回路図である。
このチャージポンプ回路は、発振回路301、アンプ302、スイッチSW1〜SW4、分圧抵抗(出力電圧設定部307)R1、R2、ポンプ用コンデンサ(ポンプ容量)C、出力用コンデンサCOUT、インバータ303、位相補償回路304、制御回路305、基準電圧源306等で構成されている。
The voltage applied to the readout transistor can be controlled by, for example, a level shifter using a charge pump circuit or the like provided for each pixel row.
FIG. 4 is a circuit diagram showing a configuration example of a charge pump circuit that can be used in the applied voltage generation circuit in this embodiment.
This charge pump circuit includes an oscillation circuit 301, an amplifier 302, switches SW1 to SW4, voltage dividing resistors (output voltage setting unit 307) R1, R2, a pump capacitor (pump capacity) C P , an output capacitor C OUT , and an inverter 303. , A phase compensation circuit 304, a control circuit 305, a reference voltage source 306, and the like.

まず、制御回路305は、発振回路301からの周波数信号に基づいてパルス信号を生成し、そのパルス信号をスイッチSW1、SW3に供給するとともに、インバータ303を介して反転パルス信号をスイッチSW2、SW4に供給する。
このスイッチング動作によって、ポンプ用コンデンサCは、スイッチSW1、SW3を介して電源電圧で充電され、その充電電圧はスイッチSW2を介して出力用コンデンサCOUTに供給される。出力用コンデンサCOUTでは、ポンプ用コンデンサCの出力を平滑化し、電圧出力VOUTとして出力する。
また、出力用コンデンサCOUTによる電圧出力VOUTは、抵抗R1、R2によって分割され、アンプ302に入力される。アンプ302では、この分割電圧と参照電圧の誤差信号を制御回路305に供給し、制御回路305では、この誤差信号に対応する出力電圧制御信号を生成してスイッチSW4に供給し、電圧出力VOUTを制御する。
First, the control circuit 305 generates a pulse signal based on the frequency signal from the oscillation circuit 301, supplies the pulse signal to the switches SW1 and SW3, and sends the inverted pulse signal to the switches SW2 and SW4 via the inverter 303. Supply.
This switching operation, the capacitor C P pump is charged by the power supply voltage via a switch SW1, SW3, the charge voltage is supplied to the output capacitor C OUT via the switch SW2. In the output capacitor C OUT, the output of capacitor C P pump smoothes and outputs a voltage output VOUT.
The voltage output VOUT from the output capacitor C OUT is divided by resistors R 1 and R 2 and input to the amplifier 302. The amplifier 302 supplies an error signal between the divided voltage and the reference voltage to the control circuit 305, and the control circuit 305 generates an output voltage control signal corresponding to the error signal and supplies the output voltage control signal to the switch SW4. Control.

このようなチャージポンプ回路によるレベルシフタを画素行毎に設け、各画素行毎に読み出しトランジスタの印加電圧として供給することにより、図3に示すような動作を得ることができる。
なお、このような読み出しトランジスタ用のレベルシフタは、例えば転送パルスのレベルを最適化するための目的で従来のCMOSイメージセンサにおいても利用されており、このようなレベルシフタによって読み出しトランジスタの温度補償を行うような構成も提案されている。
そこで、このようなレベルシフタを利用して、本実施例で説明したオフ時の印加電圧レベルを調整する手段として用いることが可能であり、ハードウェアの大幅な変更を行うことなく実現が可能である。
また、印加電圧発生回路としては、他の構成を用いることも可能であり、上記チャージポンプ回路の例に限定されないことは勿論である。
By providing such a level shifter by the charge pump circuit for each pixel row and supplying it as the applied voltage of the read transistor for each pixel row, the operation as shown in FIG. 3 can be obtained.
Such a level shifter for the read transistor is also used in a conventional CMOS image sensor for the purpose of optimizing the level of the transfer pulse, for example, and the temperature of the read transistor is compensated by such a level shifter. Various configurations have also been proposed.
Therefore, by using such a level shifter, it can be used as means for adjusting the applied voltage level at the time of off described in the present embodiment, and can be realized without significant hardware changes. .
Also, other configurations can be used as the applied voltage generating circuit, and it is needless to say that the applied voltage generating circuit is not limited to the above example of the charge pump circuit.

以上のような本実施例のような構成により、メカシャッタ等を用いた静止画撮像時に、フォトダイオードから電子が漏洩することにより起こる1行目から最終行にかけての出力の減少を防ぐことができる。
そのため、例えばメカシャッタ等を用いた多画素化スチルカメラによる静止画撮像を行った場合においても、画面全体で均一な出力を得ることができ、高品位のスチルカメラを提供することが可能となる。なお、本実施例で実現した機能はスチルカメラに限らず、ビデオカメラにも適用可能なものである。
With the configuration as in the present embodiment as described above, it is possible to prevent a decrease in output from the first line to the last line caused by leakage of electrons from the photodiode when capturing a still image using a mechanical shutter or the like.
Therefore, for example, even when a still image is captured by a multi-pixel still camera using a mechanical shutter or the like, a uniform output can be obtained on the entire screen, and a high-quality still camera can be provided. Note that the functions realized in this embodiment are applicable not only to a still camera but also to a video camera.

以上、本発明による固体撮像装置の具体的な実施例について説明したが、本発明はさらに種々の変形が可能である。例えば、上記実施例では、1画素内に4つのトランジスタ(読み出し、リセット、増幅、選択)を設けた構成を前提にして説明しているが、例えば選択トランジスタを省略した3トランジスタ構成のものや、行選択と列選択の2つのトランジスタを設けた5トランジスタ構成のものも提案されており、いずれも方式においても本発明を適用できるものである。   The specific embodiments of the solid-state imaging device according to the present invention have been described above, but the present invention can be further modified in various ways. For example, in the above embodiment, the description is given on the assumption that four transistors (reading, reset, amplification, and selection) are provided in one pixel. For example, a three-transistor configuration in which the selection transistor is omitted, A five-transistor configuration having two transistors for row selection and column selection has also been proposed, and the present invention can be applied to any method.

また、固体撮像装置は1チップ上にイメージセンサ等を構成したものに限らず、撮像部と信号処理部や光学系がまとめてパッケージ化されたモジュールであってもよい。また、カメラシステムや携帯電話器に利用される装置であってもよい。なお、本発明では、CMOSイメージセンサの機能を単体で有する構成を固体撮像装置といい、固体撮像装置と他の要素(制御回路、操作部、表示部、さらにはデータ蓄積機能、通信機能等)と一体化された構成を撮像装置というものとする。   The solid-state imaging device is not limited to an image sensor or the like configured on one chip, and may be a module in which an imaging unit, a signal processing unit, and an optical system are packaged together. Moreover, the apparatus utilized for a camera system or a mobile telephone device may be used. In the present invention, a configuration having a CMOS image sensor function alone is called a solid-state imaging device, and the solid-state imaging device and other elements (control circuit, operation unit, display unit, data storage function, communication function, etc.) An integrated configuration is referred to as an imaging device.

以下、本発明を適用した撮像装置の具体例を説明する。
図5は本例のCMOSイメージセンサを用いたカメラ装置の構成例を示すブロック図である。
図5において、撮像部410は、例えば図1に示したCMOSイメージセンサを用いて被写体の撮像を行うものであり、撮像信号をメイン基板に搭載されたシステムコントロール部420に出力する。
すなわち、撮像部410では、上述したCMOSイメージセンサの出力信号に対し、AGC(自動利得制御)、OB(オプティカルブラック)クランプ、CDS(相関二重サンプリング)、A/D変換といった処理を行い、デジタル撮像信号を生成して出力する。
Hereinafter, a specific example of an imaging apparatus to which the present invention is applied will be described.
FIG. 5 is a block diagram showing a configuration example of a camera apparatus using the CMOS image sensor of this example.
In FIG. 5, an imaging unit 410 performs imaging of a subject using, for example, the CMOS image sensor shown in FIG. 1, and outputs an imaging signal to a system control unit 420 mounted on the main board.
That is, the imaging unit 410 performs processing such as AGC (automatic gain control), OB (optical black) clamping, CDS (correlated double sampling), A / D conversion on the output signal of the above-described CMOS image sensor, and performs digital processing. An imaging signal is generated and output.

なお、本例では、撮像部410内で撮像信号をデジタル信号に変換してシステムコントロール部420に出力する例について示しているが、撮像部410からアナログ撮像信号をシステムコントロール部420に送り、システムコントロール部420側でデジタル信号に変換する構成であってもよい。
また、撮像部410内での具体的な制御動作や信号処理等も従来から種々の方法が提供されており、本発明の撮像装置において特に限定しないことは勿論である。
In this example, an example in which an imaging signal is converted into a digital signal and output to the system control unit 420 in the imaging unit 410 is shown. However, an analog imaging signal is sent from the imaging unit 410 to the system control unit 420, and the system The control unit 420 may convert to a digital signal.
In addition, various methods have been conventionally provided for specific control operations, signal processing, and the like in the imaging unit 410, and of course, there is no particular limitation in the imaging apparatus of the present invention.

また、撮像光学系400は、鏡筒内に配置されたズームレンズ401や絞り機構402等を含み、CMOSイメージセンサの受光部に被写体像を結像させるものであり、システムコントロール部420の指示に基づく駆動制御部430の制御により、各部を機械的に駆動してオートフォーカス等の制御が行われる。   The imaging optical system 400 includes a zoom lens 401 and a diaphragm mechanism 402 disposed in a lens barrel, and forms a subject image on the light receiving unit of the CMOS image sensor. Under the control of the drive control unit 430 based on this, each part is mechanically driven to perform control such as autofocus.

また、システムコントロール部420には、CPU421、ROM422、RAM423、DSP424、外部インターフェース425等が設けられている。
CPU421は、ROM422及びRAM423を用いて本カメラ装置の各部に指示を送り、システム全体の制御を行う。
DSP424は、撮像部410からの撮像信号に対して各種の信号処理を行うことにより、所定のフォーマットによる静止画または動画の映像信号(例えばYUV信号等)を生成する。
外部インターフェース425には、各種エンコーダやD/A変換器が設けられ、システムコントロール部420に接続される外部要素(本例では、ディスプレイ430、メモリ媒体440、操作パネル部450)との間で、各種制御信号やデータをやり取りする。
The system control unit 420 includes a CPU 421, a ROM 422, a RAM 423, a DSP 424, an external interface 425, and the like.
The CPU 421 uses the ROM 422 and the RAM 423 to send instructions to each part of the camera apparatus and controls the entire system.
The DSP 424 performs various signal processing on the imaging signal from the imaging unit 410 to generate a still image or moving image video signal (for example, a YUV signal) in a predetermined format.
The external interface 425 is provided with various encoders and D / A converters, and with external elements (in this example, the display 430, the memory medium 440, and the operation panel unit 450) connected to the system control unit 420. Various control signals and data are exchanged.

ディスプレイ430は、本カメラ装置に組み込まれた例えば液晶パネル等の小型表示器であり、撮像した画像を表示する。なお、このようなカメラ装置に組み込まれた小型表示器に加えて、外部の大型表示装置に画像データを伝送し、表示できる構成とすることも勿論可能である。
メモリ媒体440は、例えば各種メモリカード等に撮影された画像を適宜保存しておけるものであり、例えばメモリ媒体コントローラ441に対してメモリ媒体を交換可能なものとなっている。メモリ媒体440としては、各種メモリカードの他に、磁気や光を用いたディスク媒体等を用いることができる。
操作パネル部450は、本カメラ装置で撮影作業を行うに際し、ユーザが各種の指示を行うための入力キーを設けたものであり、CPU421は、この操作パネル部450からの入力信号を監視し、その入力内容に基づいて各種の動作制御を実行する。
The display 430 is a small display such as a liquid crystal panel incorporated in the camera apparatus, and displays a captured image. In addition to the small display device incorporated in such a camera device, it is of course possible to transmit the image data to an external large display device for display.
The memory medium 440 can appropriately store images taken on, for example, various memory cards, and can replace the memory medium with the memory medium controller 441, for example. As the memory medium 440, in addition to various memory cards, a disk medium using magnetism or light can be used.
The operation panel unit 450 is provided with input keys for the user to give various instructions when performing a shooting operation with the camera apparatus. The CPU 421 monitors an input signal from the operation panel unit 450, Various operation controls are executed based on the input contents.

このようなカメラ装置に、本発明の固体撮像装置を適用することにより、高品位の撮像装置を提供できる。なお、以上の構成において、システムの構成要素となる単位デバイスや単位モジュールの組み合わせ方、セットの規模等については、製品化の実情等に基づいて適宜選択することが可能であり、本発明の撮像装置は、種々の変形を幅広く含むものとする。   By applying the solid-state imaging device of the present invention to such a camera device, a high-quality imaging device can be provided. In the above configuration, unit devices and unit modules as system components, a combination method, a set size, and the like can be appropriately selected based on the actual state of commercialization and the like. The device shall include a wide variety of variations.

また、本発明の固体撮像装置及び撮像装置において、撮像対象(被写体)としては、人や景色等の一般的な映像に限らず、偽札検出器や指紋検出器等の特殊な微細画像パターンの撮像にも適用できるものである。
この場合の装置構成としては、図5に示した一般的なカメラ装置ではなく、さらに特殊な撮像光学系やパターン解析を含む信号処理系を含むことになり、この場合にも本発明の作用効果を十分発揮して、精密な画像検出を実現することが可能となる。
さらに、遠隔医療や防犯監視、個人認証等のように遠隔システムを構成する場合には、上述のようにネットワークと接続した通信モジュールを含む装置構成とすることも可能であり、幅広い応用が実現可能である。
In the solid-state imaging device and imaging device of the present invention, the imaging target (subject) is not limited to a general image such as a person or a landscape, but a special fine image pattern such as a counterfeit bill detector or a fingerprint detector. It can also be applied to.
The apparatus configuration in this case is not the general camera apparatus shown in FIG. 5, but further includes a special imaging optical system and a signal processing system including pattern analysis. In this case as well, the operational effects of the present invention are included. This makes it possible to realize accurate image detection.
Furthermore, when configuring a remote system such as telemedicine, security monitoring, personal authentication, etc., it is also possible to configure the device configuration including a communication module connected to the network as described above, and a wide range of applications can be realized. It is.

本発明の実施例における固体撮像装置の具体例を示す平面図である。It is a top view which shows the specific example of the solid-state imaging device in the Example of this invention. 図1に示す固体撮像装置の画素内の回路構成を示す回路図である。FIG. 2 is a circuit diagram showing a circuit configuration in a pixel of the solid-state imaging device shown in FIG. 1. 画素アレイ部のフォーカルプレイン読み出し動作に対する読み出しトランジスタの印加電圧の変化とフォトダイオードの容量変化の関係を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the relationship between the change of the applied voltage of the read transistor with respect to the focal plane read-out operation | movement of a pixel array part, and the capacitance change of a photodiode. 図3に示すCMOSイメージセンサで用いることができるチャージポンプ回路の一例を示す回路図である。FIG. 4 is a circuit diagram showing an example of a charge pump circuit that can be used in the CMOS image sensor shown in FIG. 3. 本発明の他の実施例におけるカメラ装置の構成例を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the structural example of the camera apparatus in the other Example of this invention. CMOSイメージセンサのフォーカルプレイン読み出し動作を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the focal plane read-out operation | movement of a CMOS image sensor. 従来のCMOSイメージセンサにおける出力信号レベルの減少を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the reduction | decrease in the output signal level in the conventional CMOS image sensor.

符号の説明Explanation of symbols

1……フォトダイオード、3……FD部、12……読み出しトランジスタ、13……増幅トランジスタ、14……リセットトランジスタ、15……選択トランジスタ、16……画素、20……画素アレイ部、21……垂直走査回路、22……水平走査回路、30……印加電圧発生回路。   DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Photodiode, 3 ... FD part, 12 ... Read-out transistor, 13 ... Amplification transistor, 14 ... Reset transistor, 15 ... Selection transistor, 16 ... Pixel, 20 ... Pixel array part, 21 ... ... vertical scanning circuit, 22 ... horizontal scanning circuit, 30 ... applied voltage generation circuit.

Claims (6)

それぞれ光電変換部と読み出しゲートを含む複数の画素を2次元配列で配置した画素アレイ部と、
前記画素アレイ部の各画素の光電変換部に対し、所定の露光期間によって一斉に信号電荷の蓄積動作を実行させるシャッタ手段と、
前記信号電荷を蓄積した各画素を画素行単位で画素列方向に走査し、各画素行毎に読み出しゲートを順次オン・オフ制御して各画素の光電変換部に蓄積された信号電荷を順次読み出す走査手段と、
前記信号電荷の読み出す期間中に生じる蓄積電荷レベルの低下に対応して前記読み出しゲートに印加する電圧を可変制御する電圧制御手段と、
を有することを特徴とする固体撮像装置。
A pixel array unit in which a plurality of pixels each including a photoelectric conversion unit and a readout gate are arranged in a two-dimensional array;
Shutter means for causing the photoelectric conversion units of the respective pixels of the pixel array unit to perform signal charge accumulation operation all at once in a predetermined exposure period;
Each pixel in which the signal charge is accumulated is scanned in the pixel column direction in units of pixel rows, and the signal charge accumulated in the photoelectric conversion unit of each pixel is sequentially read out by sequentially controlling the on / off of the readout gate for each pixel row. Scanning means;
Voltage control means for variably controlling the voltage applied to the readout gate in response to a decrease in the accumulated charge level that occurs during the readout period of the signal charge;
A solid-state imaging device.
前記電圧制御手段は前記信号電荷の読み出す期間中に生じる蓄積電荷レベルの低下に対応して前記読み出しゲートに印加する電圧を徐々に低下させることを特徴とする請求項1記載の固体撮像装置。   2. The solid-state imaging device according to claim 1, wherein the voltage control unit gradually decreases the voltage applied to the read gate in response to a decrease in the accumulated charge level that occurs during a period in which the signal charge is read. 前記電圧制御手段はチャージポンプであることを特徴とする請求項1記載の固体撮像装置。   2. The solid-state imaging device according to claim 1, wherein the voltage control means is a charge pump. 固体撮像装置を用いた撮像部と、前記撮像部を制御する制御部と、前記撮像部を操作する操作部とを有し、
前記固体撮像装置は、
それぞれ光電変換部と読み出しゲートを含む複数の画素を2次元配列で配置した画素アレイ部と、
前記画素アレイ部の各画素の光電変換部に対し、所定の露光期間によって一斉に信号電荷の蓄積動作を実行させるシャッタ手段と、
前記信号電荷を蓄積した各画素を画素行単位で画素列方向に走査し、各画素行毎に読み出しゲートを順次オン・オフ制御して各画素の光電変換部に蓄積された信号電荷を順次読み出す走査手段と、
前記信号電荷の読み出す期間中に生じる蓄積電荷レベルの低下に対応して前記読み出しゲートに印加する電圧を可変制御する電圧制御手段と、
を有することを特徴とする撮像装置。
An imaging unit using a solid-state imaging device, a control unit that controls the imaging unit, and an operation unit that operates the imaging unit,
The solid-state imaging device
A pixel array unit in which a plurality of pixels each including a photoelectric conversion unit and a readout gate are arranged in a two-dimensional array;
Shutter means for causing the photoelectric conversion units of the respective pixels of the pixel array unit to perform signal charge accumulation operation all at once in a predetermined exposure period;
Each pixel in which the signal charge is accumulated is scanned in the pixel column direction in units of pixel rows, and the signal charge accumulated in the photoelectric conversion unit of each pixel is sequentially read out by sequentially controlling the on / off of the readout gate for each pixel row. Scanning means;
Voltage control means for variably controlling the voltage applied to the readout gate in response to a decrease in the accumulated charge level that occurs during the readout period of the signal charge;
An imaging device comprising:
前記電圧制御手段は前記信号電荷の読み出す期間中に生じる蓄積電荷レベルの低下に対応して前記読み出しゲートに印加する電圧を徐々に低下させることを特徴とする請求項4記載の撮像装置。   5. The image pickup apparatus according to claim 4, wherein the voltage control unit gradually decreases the voltage applied to the read gate in response to a decrease in the accumulated charge level that occurs during a period in which the signal charge is read. 前記電圧制御手段はチャージポンプであることを特徴とする請求項4記載の撮像装置。   5. The imaging apparatus according to claim 4, wherein the voltage control means is a charge pump.
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CN120224037A (en) * 2025-05-27 2025-06-27 杭州海康微影传感科技有限公司 Correction method for pixel array driving state and correction circuit module

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