[go: up one dir, main page]

JP2013058960A - Solid-state imaging device - Google Patents

Solid-state imaging device Download PDF

Info

Publication number
JP2013058960A
JP2013058960A JP2011196875A JP2011196875A JP2013058960A JP 2013058960 A JP2013058960 A JP 2013058960A JP 2011196875 A JP2011196875 A JP 2011196875A JP 2011196875 A JP2011196875 A JP 2011196875A JP 2013058960 A JP2013058960 A JP 2013058960A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
image signal
signal
pixel
image
characteristic
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
JP2011196875A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Toshio Norita
寿夫 糊田
Tsuyoshi Iwamoto
剛志 岩本
Takashi Morimoto
隆史 森本
Masayuki Kusuda
将之 楠田
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Konica Minolta Advanced Layers Inc
Original Assignee
Konica Minolta Advanced Layers Inc
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Konica Minolta Advanced Layers Inc filed Critical Konica Minolta Advanced Layers Inc
Priority to JP2011196875A priority Critical patent/JP2013058960A/en
Publication of JP2013058960A publication Critical patent/JP2013058960A/en
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Landscapes

  • Transforming Light Signals Into Electric Signals (AREA)
  • Color Television Image Signal Generators (AREA)

Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To achieve the linear log characteristics having high sensitivity linear characteristics, and log characteristics with small variation.SOLUTION: Upon acquisition of an image signal D1 having linear characteristics by driving a pixel in reverse bias mode within one frame period, an image sensor control unit 122 acquires an image signal D2 having log characteristics by driving a pixel in zero bias mode. An image signal processing unit 121 selects the image signal D1 as an output image signal D3 when the level of the image signal D1 goes below a threshold TH corresponding to the level of an image signal at an inflection point, otherwise selects the image signal D2 as the output image signal D3.

Description

本発明は、リニア特性とログ特性とが変曲点で切り替わるリニアログ特性を持つ固体撮像装置に関するものである。   The present invention relates to a solid-state imaging device having a linear log characteristic in which a linear characteristic and a log characteristic are switched at an inflection point.

近年、ダイナミックレンジの拡大を図るために、変曲点を境に低輝度側にリニア特性を持ち、高輝度側にログ特性を持つ固体撮像装置が知られている。このような光電変換特性は、リニアログ特性と呼ばれており、例えば、特許文献1が知られている。以下、リニアログ特性において、リニア特性を持つ領域をリニア領域、ログ特性を持つ領域をログ領域と記述する。   In recent years, in order to expand the dynamic range, a solid-state imaging device having a linear characteristic on a low luminance side and a log characteristic on a high luminance side with an inflection point as a boundary is known. Such photoelectric conversion characteristics are called linear log characteristics, and for example, Patent Document 1 is known. Hereinafter, in the linear log characteristics, an area having linear characteristics is described as a linear area, and an area having log characteristics is described as a log area.

特許文献1には、フレームレートを低下させることなく広DR画像を再生することを目的として、画素部からの画素信号がリニア領域の信号である場合はリニア特性に対応するアナログゲインで増幅させ、画素部からの画素信号がログ領域の信号である場合はログ特性に対応するアナログゲインで増幅させるリニアログ特性の光電変換特性を持つ固体撮像装置が開示されている。   In Patent Document 1, for the purpose of reproducing a wide DR image without reducing the frame rate, when the pixel signal from the pixel unit is a signal in a linear region, it is amplified with an analog gain corresponding to the linear characteristic, A solid-state imaging device having a photoelectric conversion characteristic of a linear log characteristic that is amplified by an analog gain corresponding to the log characteristic when the pixel signal from the pixel unit is a signal in the log area is disclosed.

特許文献2には、画素回路を構成する受光素子をゼロバイアスモード(太陽電池モード)で駆動させることで、バラツキレスな対数特性出力を得ることができる撮像素子が開示されている。   Patent Document 2 discloses an image sensor that can obtain a logarithmic characteristic output with no variation by driving a light receiving element constituting a pixel circuit in a zero bias mode (solar cell mode).

特許文献3には、偽信号や飽和むらの発生を抑制することを目的とし、大サイズで高感度の第1の受光素子(SH)と、小サイズで低感度の第2の受光素子(SL)とをハニカム状に配置し、第1の受光素子(SH)の飽和レベルを調整し、第2の受光素子(SL)と合成するCCDの固体撮像装置が開示されている。   Japanese Patent Application Laid-Open No. 2004-228667 aims to suppress generation of false signals and saturation unevenness, and has a large size and high sensitivity first light receiving element (SH) and a small size and low sensitivity second light receiving element (SL). ) Are arranged in a honeycomb shape, the saturation level of the first light receiving element (SH) is adjusted, and a CCD solid-state imaging device that combines with the second light receiving element (SL) is disclosed.

特開2008−263546号公報JP 2008-263546 A 欧州特許第1354360号明細書European Patent No. 1354360 特開2000−125209号公報JP 2000-125209 A

しかしながら、特許文献1では、各画素は、受光素子が固体撮像装置において一般的に用いられている駆動方式である逆バイアスモードで駆動されているため、ログ特性にバラツキが発生するという問題がある。   However, in Patent Document 1, since each pixel is driven in a reverse bias mode, which is a driving method generally used in solid-state imaging devices, there is a problem in that log characteristics vary. .

特許文献2では、受光素子がゼロバイアスモードで駆動される画素回路しか配列されていないため、リニアログ特性を実現することができないという問題がある。そのため、ダイナミックレンジは確保できるが、入射光量に対して高感度な画像信号を出力することができないという問題がある。   In Patent Document 2, since only the pixel circuits in which the light receiving elements are driven in the zero bias mode are arranged, there is a problem that linear log characteristics cannot be realized. Therefore, although a dynamic range can be secured, there is a problem that an image signal with high sensitivity to the amount of incident light cannot be output.

特許文献3は、CCDに関するものであり、また、リニアログ特性の光電変換特性を持たせることが行われていない。   Patent Document 3 relates to a CCD and does not have a photoelectric conversion characteristic of a linear log characteristic.

本発明の目的は、高感度のリニア特性と、ばらつきの少ないログ特性とを持つリニアログ特性の固体撮像装置を提供することである。   An object of the present invention is to provide a solid-state imaging device having a linear log characteristic having a highly sensitive linear characteristic and a log characteristic with little variation.

(1)本発明による固体撮像装置は、リニア特性とログ特性とが変曲点で切り替わるリニアログ特性の光電変換特性を持つ固体撮像装置であって、受光素子を含む複数の画素により構成された撮像素子と、前記受光素子を逆バイアス状態でリセットして露光させて前記画素からリニア特性を持つ第1画像信号を出力させる逆バイアスモードと、前記受光素子をゼロバイアス状態にしてリセットして露光させて前記画素からログ特性を持つ第2画像信号を出力させるゼロバイアスモードとが1フレーム期間において切り替えられるように前記画素を駆動する撮像素子制御部と、前記第1画像信号又は前記第2画像信号のレベルに基づいて、前記第1画像信号と前記第2画像信号とを切り替えて出力する画像信号処理部とを備える。   (1) A solid-state image pickup device according to the present invention is a solid-state image pickup device having a photoelectric conversion characteristic of a linear log characteristic in which a linear characteristic and a log characteristic are switched at an inflection point, and is an image pickup composed of a plurality of pixels including a light receiving element. A reverse bias mode for resetting and exposing the light receiving element in a reverse bias state and outputting a first image signal having linear characteristics from the pixel; and resetting and exposing the light receiving element in a zero bias state An image sensor control unit for driving the pixel so that a zero bias mode for outputting a second image signal having log characteristics from the pixel is switched in one frame period; and the first image signal or the second image signal And an image signal processing unit that switches and outputs the first image signal and the second image signal based on the level of the image signal.

この構成によれば、撮像素子を構成する画素は、1フレーム期間において、逆バイアスモードとゼロバイアスモードとの2つのモードで駆動される。したがって、1フレーム期間において、高感度なリニア特性を持つ第1画像信号と、ばらつきが少ないログ特性を持つ第2画像信号とが得られる。   According to this configuration, the pixels constituting the image sensor are driven in two modes, the reverse bias mode and the zero bias mode, in one frame period. Therefore, in one frame period, a first image signal having a highly sensitive linear characteristic and a second image signal having a log characteristic with little variation are obtained.

そして、第1画像信号又は第2画像信号のレベルから、被写体が高輝度又は低輝度であるかが判断され、判断結果に応じて第1画像信号又は第2画像信号が出力される。   Then, it is determined from the level of the first image signal or the second image signal whether the subject has high luminance or low luminance, and the first image signal or the second image signal is output according to the determination result.

これにより、高感度なリニア特性とばらつきの少ないログ特性とが変曲点で切り替わる光電変換特性を持つ固体撮像装置を提供することができる。   Accordingly, it is possible to provide a solid-state imaging device having a photoelectric conversion characteristic in which a highly sensitive linear characteristic and a log characteristic with little variation are switched at an inflection point.

(2)前記撮像素子制御部は、前記1フレーム期間において、前記逆バイアスモードで前記画素を駆動させた後、前記ゼロバイアスモードで前記画素を駆動させることが好ましい。   (2) It is preferable that the image sensor control unit drives the pixel in the zero bias mode after driving the pixel in the reverse bias mode in the one frame period.

リニア特性の画像信号は時間積分性を有しているため、ある程度の露光時間を確保する必要がある。一方、ログ特性の画像信号は時間積分性を有していないため、リニア特性の画像信号のように露光時間を確保する必要はない。本構成では、1フレーム期間において、画素はまず逆バイアスモードで駆動されてリニア特性を持つ第1画像信号が得られ、次にゼロバイアスモードで駆動されてログ特性を持つ第2画像信号が得られている。よって、1フレーム期間において、逆バイアスモードで画素が駆動される時間を十分に確保することができ、精度の良い第1画像信号を得ることができる。   Since an image signal having a linear characteristic has time integration, it is necessary to secure a certain exposure time. On the other hand, since the log characteristic image signal does not have time integration, it is not necessary to secure the exposure time unlike the linear characteristic image signal. In this configuration, in one frame period, the pixels are first driven in the reverse bias mode to obtain a first image signal having linear characteristics, and then driven in the zero bias mode to obtain a second image signal having log characteristics. It has been. Therefore, it is possible to secure a sufficient time for driving the pixels in the reverse bias mode in one frame period, and it is possible to obtain a highly accurate first image signal.

(3)前記画像信号処理部は、前記第1画像信号のレベルが前記変曲点の画像信号のレベルを示す閾値以下の場合、前記第1画像信号を出力し、前記第1画像信号のレベルが前記閾値より大きい場合、前記第2画像信号を出力することが好ましい。   (3) When the level of the first image signal is equal to or lower than a threshold value indicating the level of the image signal at the inflection point, the image signal processing unit outputs the first image signal, and the level of the first image signal When is larger than the threshold, it is preferable to output the second image signal.

この構成によれば、第1画像信号が閾値以下であれば、低輝度の被写体が撮像されたと判定され、第1画像信号が出力され、第1画像信号が閾値より大きければ、高輝度の被写体が撮像されたと判定され、第2画像信号が出力される。したがって、低輝度側にリニア特性を持ち、高輝度側にログ特性を持つ光電変換特性が得られる。   According to this configuration, if the first image signal is equal to or lower than the threshold value, it is determined that a low-luminance subject has been captured, and the first image signal is output. If the first image signal is greater than the threshold value, the high-luminance subject is determined. Is captured, and the second image signal is output. Therefore, a photoelectric conversion characteristic having linear characteristics on the low luminance side and log characteristics on the high luminance side can be obtained.

(4)前記画素は、原色カラーフィルタを備えることが好ましい。   (4) The pixel preferably includes a primary color filter.

この構成によれば、原色(例えば、R、G、B)の色成分を持つ画像信号が得られる。   According to this configuration, an image signal having primary color (for example, R, G, B) color components is obtained.

(5)前記画素は、補色カラーフィルタを備えることが好ましい。   (5) The pixel preferably includes a complementary color filter.

この構成によれば、補色カラーフィルタを備えているため、高感度な画像信号が得られる。   According to this configuration, since the complementary color filter is provided, a highly sensitive image signal can be obtained.

(6)前記受光素子は、表面型のフォトダイオードであることが好ましい。   (6) The light receiving element is preferably a surface-type photodiode.

この構成によれば、画素の受光素子が表面型のフォトダイオードで構成されているため、ゼロバイスモードで画素を駆動させることが容易となる。   According to this configuration, since the light receiving element of the pixel is configured by a surface-type photodiode, it is easy to drive the pixel in the zero vice mode.

(7)前記受光素子は、埋め込み型のフォトダイオードであることが好ましい。   (7) The light receiving element is preferably an embedded photodiode.

この構成によれば、画素の受光素子が埋込型のフォトダイオードで構成したため、高品質の第1、第2画像信号を得ることができる。   According to this configuration, since the light receiving element of the pixel is configured by an embedded photodiode, high quality first and second image signals can be obtained.

本発明によれば、撮像素子を構成する画素は、1フレーム期間において、逆バイアスモードとゼロバイアスモードとの2つのモードで駆動される。したがって、1フレーム期間において、高感度なリニア特性を持つ第1画像信号と、ばらつきが少ないログ特性を持つ第2画像信号とが得られる。   According to the present invention, the pixels constituting the imaging device are driven in two modes, the reverse bias mode and the zero bias mode, in one frame period. Therefore, in one frame period, a first image signal having a highly sensitive linear characteristic and a second image signal having a log characteristic with little variation are obtained.

そして、第1画像信号又は第2画像信号のレベルから、被写体が高輝度又は低輝度であるかが判断され、判断結果に応じて第1画像信号又は第2画像信号が出力される。   Then, it is determined from the level of the first image signal or the second image signal whether the subject has high luminance or low luminance, and the first image signal or the second image signal is output according to the determination result.

これにより、高感度なリニア特性とばらつきの少ないログ特性とが変曲点で切り替わる光電変換特性を持つ固体撮像装置を提供することができる。   Accordingly, it is possible to provide a solid-state imaging device having a photoelectric conversion characteristic in which a highly sensitive linear characteristic and a log characteristic with little variation are switched at an inflection point.

本発明の実施の形態1による固体撮像装置の全体構成を示すブロック図である。1 is a block diagram showing an overall configuration of a solid-state imaging device according to Embodiment 1 of the present invention. 図1に示す撮像素子の詳細な構成を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the detailed structure of the image pick-up element shown in FIG. 本発明の実施の形態1による画素アレイ部を構成する画素の回路図である。It is a circuit diagram of the pixel which comprises the pixel array part by Embodiment 1 of this invention. 図3に示す画素回路のタイミングチャートである。4 is a timing chart of the pixel circuit shown in FIG. 3. 逆バイアスモードで駆動された画素の光電変換特性の一例を示したグラフであり、縦軸はシグナル成分信号示し、横軸は入射光強度を示している。It is the graph which showed an example of the photoelectric conversion characteristic of the pixel driven by reverse bias mode, the vertical axis | shaft shows the signal component signal and the horizontal axis shows the incident light intensity. ゼロバイアスモードで駆動された画素の光電変換特性を示したグラフであり、縦軸はシグナル成分信号を示し、横軸は入射光強度を示している。It is the graph which showed the photoelectric conversion characteristic of the pixel driven by the zero bias mode, the vertical axis | shaft shows the signal component signal and the horizontal axis shows the incident light intensity. 図1に示す画像信号処理部の詳細な構成を示した回路図である。FIG. 2 is a circuit diagram illustrating a detailed configuration of an image signal processing unit illustrated in FIG. 1. 出力画像信号の光電変換特性を示したグラフであり、縦軸はシグナル成分信号を示し、横軸は入射光強度を示している。It is the graph which showed the photoelectric conversion characteristic of the output image signal, The vertical axis | shaft shows the signal component signal and the horizontal axis shows the incident light intensity. 本発明の実施の形態2による画素アレイ部を構成する画素の回路図である。It is a circuit diagram of the pixel which comprises the pixel array part by Embodiment 2 of this invention. 図9に示す画素回路のタイミングチャートである。10 is a timing chart of the pixel circuit shown in FIG. 9.

(実施の形態1)
図1は、本発明の実施の形態1による固体撮像装置の全体構成を示すブロック図である。図1に示す固体撮像装置は、リニア特性とログ特性とが変曲点で切り替わるリニアログ特性の光電変換特性を持つ固体撮像装置である。具体的には、本実施の形態による固体撮像装置は、変曲点より低輝度側がリニア特性を持ち、高輝度側がログ特性を持つリニアログ特性の光電変換特性を持つ固体撮像装置である。
(Embodiment 1)
FIG. 1 is a block diagram showing an overall configuration of a solid-state imaging apparatus according to Embodiment 1 of the present invention. The solid-state imaging device illustrated in FIG. 1 is a solid-state imaging device having a photoelectric conversion characteristic of a linear log characteristic in which a linear characteristic and a log characteristic are switched at an inflection point. Specifically, the solid-state imaging device according to the present embodiment is a solid-state imaging device having a linear log characteristic photoelectric conversion characteristic having a linear characteristic on the low luminance side and a log characteristic on the high luminance side from the inflection point.

固体撮像装置は、撮像素子110及び画像処理部120を備えている。撮像素子110及び画像処理部120は1つのICチップ内に構成されていても良いし、別のICチップとして構成されても良い。   The solid-state imaging device includes an imaging element 110 and an image processing unit 120. The image sensor 110 and the image processing unit 120 may be configured in one IC chip or may be configured as separate IC chips.

画像処理部120は、画像信号処理部121及び撮像素子制御部122を備えている。撮像素子制御部122は、SYSCLKとレジスタ制御信号とを撮像素子110に出力し、撮像素子110を制御する。SYSCLKは例えば図略の発振回路により生成される所定の周波数(例えば54MHz)を持つクロック信号である。レジスタ制御信号は、図2に示すタイミング制御部22が備えている各種のレジスタにデータを書き込むための信号である。   The image processing unit 120 includes an image signal processing unit 121 and an image sensor control unit 122. The image sensor control unit 122 outputs SYSCLK and the register control signal to the image sensor 110 to control the image sensor 110. SYSCLK is a clock signal having a predetermined frequency (for example, 54 MHz) generated by an oscillation circuit (not shown), for example. The register control signal is a signal for writing data to various registers included in the timing control unit 22 shown in FIG.

撮像素子110は、第1チャネル信号CH1と第2チャネル信号CH2との2チャンネルの画像信号を画像信号処理部121に出力する。ここで、第1チャネル信号CH1は、図2に示す画素アレイ部21の奇数列の画素から出力される画像信号である。第2チャネル信号CH2は、画素アレイ部21の偶数列の画素から出力される画像信号である。第1、第2チャネル信号CH1,CH2は、それぞれ、リニア特性を持つ画像信号D1とログ特性を持つ画像信号D2とを含む。   The image sensor 110 outputs two-channel image signals of the first channel signal CH1 and the second channel signal CH2 to the image signal processing unit 121. Here, the first channel signal CH1 is an image signal output from an odd number of columns of the pixel array unit 21 shown in FIG. The second channel signal CH <b> 2 is an image signal output from the pixels in the even-numbered columns of the pixel array unit 21. Each of the first and second channel signals CH1 and CH2 includes an image signal D1 having linear characteristics and an image signal D2 having log characteristics.

画像信号処理部121は、第1チャネル信号CH1と第2チャネル信号CH2とに対して種々の画像処理を施し、画像信号D1と画像信号D2とのいずれか一方を最終的に出力画像信号D3として、外部装置に出力する。ここで、外部装置としては、例えば、液晶パネルや有機ELパネル等の表示装置や、出力画像信号D3を保持するメモリ等が該当する。   The image signal processing unit 121 performs various image processing on the first channel signal CH1 and the second channel signal CH2, and finally either one of the image signal D1 and the image signal D2 is used as the output image signal D3. Output to an external device. Here, the external device corresponds to, for example, a display device such as a liquid crystal panel or an organic EL panel, a memory that holds the output image signal D3, and the like.

図2は、図1に示す撮像素子110の詳細な構成を示すブロック図である。撮像素子110は、画素アレイ部21、タイミング制御部22、ローデコーダ23、カラムADCアレイ部24、カラムデコーダ25、センスアンプ26、LVDSシリアライザ27、出力端子28、ランプ波生成回路29、及び入力端子210,211を備えている。   FIG. 2 is a block diagram showing a detailed configuration of the image sensor 110 shown in FIG. The image sensor 110 includes a pixel array unit 21, a timing control unit 22, a row decoder 23, a column ADC array unit 24, a column decoder 25, a sense amplifier 26, an LVDS serializer 27, an output terminal 28, a ramp wave generation circuit 29, and an input terminal. 210 and 211 are provided.

画素アレイ部21は、M(2以上の整数)行×N(2以上の整数)列でマトリックス状に配列され、受光素子を含む複数の画素により構成されている。   The pixel array unit 21 is arranged in a matrix with M (integer of 2 or more) rows × N (integer of 2 or more) columns, and includes a plurality of pixels including light receiving elements.

各画素は、撮像素子制御部122により、逆バイアスモードとゼロバイアスモードとが1フレーム期間において切り替えられて駆動される。ここで、逆バイアスモードは、画素が備える受光素子を逆バイアス状態にしてリセットさせて露光させるモードである。逆バイアス状態とは、各画素が備える受光素子のカソードをアノードよりも高電位にした状態を指す。なお、逆バイアスモードは、固体撮像装置を構成するフォトダイオードの駆動方法として従来から広く一般的に使用されているモードであり、フォトダイオードモードとも呼ばれている。   Each pixel is driven by the image sensor control unit 122 by switching between the reverse bias mode and the zero bias mode in one frame period. Here, the reverse bias mode is a mode in which exposure is performed by resetting a light receiving element included in a pixel in a reverse bias state. The reverse bias state refers to a state in which the cathode of the light receiving element included in each pixel is set to a higher potential than the anode. Note that the reverse bias mode is a mode that has been widely used in the past as a method for driving a photodiode constituting the solid-state imaging device, and is also referred to as a photodiode mode.

ゼロバイアスモードは、画素が備える受光素子をゼロバイアス状態にしてリセットさせて露光させるモードである。ゼロバイアス状態とは、アノードとカソードとを同電位にした状態を指す。なお、ゼロバイアスモードは、太陽電池における受光素子の駆動方法と同じ駆動方法であるため、太陽電池モードとも呼ばれている。   The zero bias mode is a mode in which exposure is performed by resetting a light receiving element included in a pixel to a zero bias state. The zero bias state refers to a state where the anode and the cathode are at the same potential. The zero bias mode is also called a solar cell mode because it is the same driving method as the driving method of the light receiving element in the solar cell.

また、各画素は、例えば赤(R)、緑(G)、青(B)のいずれかの原色カラーフィルタを備えた、R,G,Bの画素により構成されている。そして、R,G,Bの画素は、例えばベイヤー配列等の所定の配列パターンにしたがって配列されている。   Each pixel is composed of R, G, and B pixels each having a primary color filter of any one of red (R), green (G), and blue (B), for example. The R, G, and B pixels are arranged according to a predetermined arrangement pattern such as a Bayer arrangement.

なお、原色カラーフィルタに代えて、例えば、シアン(C)、イエロー(Y)、マゼンタ(M)の補色カラーフィルタを採用してもよい。この場合、C、Y、Mの画素を例えばベイヤー配列等の配列パターンにしたがって配列させればよい。   In place of the primary color filter, for example, a complementary color filter of cyan (C), yellow (Y), and magenta (M) may be employed. In this case, the C, Y, and M pixels may be arranged according to an arrangement pattern such as a Bayer arrangement.

補色カラーフィルタは、一般的に原色カラーフィルタに比べて感度が高い。そのため、感度を優先する場合は、補色カラーフィルタを採用すればよい。但し、補色カラーフィルタを採用した場合、C、Y、Mの画像信号をR、G、Bの画像信号に変換する色変換処理が必要になることもあるため、処理コストの低下を図るという観点からは、原色カラーフィルタを採用することが好ましい。   Complementary color filters are generally more sensitive than primary color filters. Therefore, when priority is given to sensitivity, a complementary color filter may be employed. However, when a complementary color filter is employed, a color conversion process for converting C, Y, and M image signals into R, G, and B image signals may be required, so that the processing cost is reduced. Is preferably a primary color filter.

タイミング制御部22は、PLL、タイミングジェネレータ(TG)、及びレジスタを備え、ローデコーダ23、カラムADCアレイ部24、及びカラムデコーダ25を制御する。PLLは、必要に応じてSYSCLKを逓倍(例えば2逓倍)してTGに供給する。TGはPLLから供給された信号にしたがって、水平同期信号及び垂直同期信号等のタイミング信号を生成し、ローデコーダ23、カラムADCアレイ部24、及びカラムデコーダ25に供給し、これらの動作を同期させる。   The timing control unit 22 includes a PLL, a timing generator (TG), and a register, and controls the row decoder 23, the column ADC array unit 24, and the column decoder 25. The PLL multiplies (for example, doubles) SYSCLK as necessary and supplies it to the TG. The TG generates a timing signal such as a horizontal synchronizing signal and a vertical synchronizing signal in accordance with the signal supplied from the PLL, and supplies the timing signal to the row decoder 23, the column ADC array unit 24, and the column decoder 25 to synchronize their operations. .

レジスタは、例えばローデコーダ23が各画素に出力する各種の画素制御信号の波形を規定するためのデータを保持している。ここで、レジスタが保持するデータは、撮像素子制御部122から出力されるレジスタ制御信号によって書き込まれている。   The register holds data for defining the waveforms of various pixel control signals output from the row decoder 23 to each pixel, for example. Here, data held by the register is written by a register control signal output from the image sensor control unit 122.

ローデコーダ23は、例えば、垂直走査回路と、ドライバ回路とを備えている。垂直走査回路は、例えば、シフトレジスタにより構成され、タイミングジェネレータから出力される垂直同期信号をトリガーとして、画素アレイ部21の各行をサイクリックに選択し、画素アレイ部21を垂直走査する。ここで、ローデコーダ23は、画素アレイ部21を上側から下側に向けて1行ずつ、順次に選択してもよいし、画素アレイ部21を下側から上側に向けて1行ずつ、順次に選択してもよい。   The row decoder 23 includes, for example, a vertical scanning circuit and a driver circuit. The vertical scanning circuit is configured by, for example, a shift register, and cyclically selects each row of the pixel array unit 21 using a vertical synchronization signal output from the timing generator as a trigger, and vertically scans the pixel array unit 21. Here, the row decoder 23 may sequentially select the pixel array unit 21 row by row from the upper side to the lower side, or sequentially row by pixel from the lower side to the upper side of the pixel array unit 21. You may choose.

ドライバ回路は、タイミング制御部22のレジスタに書き込まれたデータにしたがって画素制御信号を生成し、各画素に供給することで各画素を駆動させる。   The driver circuit generates a pixel control signal according to the data written in the register of the timing control unit 22, and drives each pixel by supplying it to each pixel.

カラムADCアレイ部24は、画素アレイ部21の各列に対応するN個のカラムADC212を備えている。カラムADC212は、画素アレイ部21の各列に対応する垂直信号線L_1を介して各列の画素と接続され、垂直走査回路により選択された行の画素から画像信号を読み出す。   The column ADC array unit 24 includes N column ADCs 212 corresponding to the respective columns of the pixel array unit 21. The column ADC 212 is connected to the pixels of each column via the vertical signal line L_1 corresponding to each column of the pixel array unit 21, and reads the image signal from the pixel of the row selected by the vertical scanning circuit.

本実施の形態では、カラムADCアレイ部24は、画素アレイ部21の下側に設けられたカラムADCアレイ部241と、画素アレイ部21の上側に設けられたカラムADCアレイ部242とを備えている。   In the present embodiment, the column ADC array unit 24 includes a column ADC array unit 241 provided on the lower side of the pixel array unit 21 and a column ADC array unit 242 provided on the upper side of the pixel array unit 21. Yes.

カラムADCアレイ部241は、画素アレイ部21の奇数列の画素から画像信号を読み出し、カラムADCアレイ部242は、画素アレイ部21の偶数列の画素から画像信号を読み出す。なお、カラムADCアレイ部241からセンスアンプ261及びLVDSシリアライザ271を介して出力される画像信号が第1チャネル信号CH1であり、カラムADCアレイ部242からセンスアンプ262及びLVDSシリアライザ272を介して出力される画像信号が第2チャネル信号CH2である。   The column ADC array unit 241 reads out image signals from the odd-numbered columns of pixels in the pixel array unit 21, and the column ADC array unit 242 reads out image signals from the even-numbered columns of pixels in the pixel array unit 21. The image signal output from the column ADC array unit 241 via the sense amplifier 261 and the LVDS serializer 271 is the first channel signal CH1, and is output from the column ADC array unit 242 via the sense amplifier 262 and the LVDS serializer 272. The image signal is the second channel signal CH2.

各画素は、1水平期間において、ノイズ成分のみからなる画像信号と、ノイズ成分にシグナル成分が加算された画像信号とを出力する。ここで、ノイズ成分のみからなる画像信号をノイズ成分信号と記述し、ノイズ成分にシグナル成分が加算された画像信号をノイズ・シグナル成分信号と記述する。   Each pixel outputs an image signal composed of only a noise component and an image signal obtained by adding a signal component to the noise component in one horizontal period. Here, an image signal consisting only of a noise component is described as a noise component signal, and an image signal obtained by adding a signal component to the noise component is described as a noise signal component signal.

カラムADC212は、相関二重サンプリング回路及びAD変換回路を含む。相関二重サンプリング回路は、画素から出力されたノイズ成分信号及びノイズ・シグナル成分信号に対して相関二重サンプリング処理を行う。これにより、ノイズ・シグナル成分信号とノイズ成分信号との差分が求められ、ノイズ・シグナル成分信号に含まれるノイズ成分が除去され、シグナル成分のみから構成される画像信号であるシグナル成分信号が生成される。   The column ADC 212 includes a correlated double sampling circuit and an AD conversion circuit. The correlated double sampling circuit performs correlated double sampling processing on the noise component signal and the noise signal component signal output from the pixel. As a result, the difference between the noise signal component signal and the noise component signal is obtained, the noise component contained in the noise signal component signal is removed, and a signal component signal that is an image signal composed only of the signal component is generated. The

AD変換回路は、相関二重サンプリング回路により生成されたシグナル成分信号をAD変換(アナログデジタル変換)して保持する。具体的には、AD変換回路は、相関二重サンプリング回路からシグナル成分信号が入力されると、ランプ波生成回路29から出力されるランプ信号のレベルがシグナル成分信号のレベルを超えるまでの時間をカウントし、アナログのシグナル成分信号をAD変換する。本実施の形態では、シグナル成分信号は、例えば14ビットのデジタルデータに変換される。   The AD conversion circuit AD-converts (analog-digital conversion) and holds the signal component signal generated by the correlated double sampling circuit. Specifically, when the signal component signal is input from the correlated double sampling circuit, the AD conversion circuit determines the time until the level of the ramp signal output from the ramp wave generation circuit 29 exceeds the level of the signal component signal. The analog signal component signal is AD converted. In the present embodiment, the signal component signal is converted into, for example, 14-bit digital data.

カラムデコーダ25は、カラムADCアレイ部241の下側に設けられたカラムデコーダ251と、カラムADCアレイ部242の上側に設けられたカラムデコーダ252とを備えている。   The column decoder 25 includes a column decoder 251 provided below the column ADC array unit 241 and a column decoder 252 provided above the column ADC array unit 242.

カラムデコーダ251は、例えばシフトレジスタにより構成され、タイミング制御部22から出力される水平同期信号に同期した列選択信号を出力することで、1水平走査期間において、各列のカラムADC212をサイクリックに選択し、カラムADCアレイ部241を水平走査し、各列のカラムADC212が保持するデジタルの画像信号をセンスアンプ261に順次に出力させる。なお、カラムデコーダ252は、カラムデコーダ251と同一であるため、説明を省略する。   The column decoder 251 is composed of, for example, a shift register, and outputs a column selection signal synchronized with the horizontal synchronization signal output from the timing control unit 22 to cyclically select the column ADC 212 of each column in one horizontal scanning period. Then, the column ADC array unit 241 is horizontally scanned, and the digital image signals held by the column ADC 212 of each column are sequentially output to the sense amplifier 261. Note that the column decoder 252 is the same as the column decoder 251, and thus the description thereof is omitted.

センスアンプ26は、カラムADCアレイ部241の後段に設けられたセンスアンプ261と、カラムADCアレイ部242の後段に設けられたセンスアンプ262とを備えている。   The sense amplifier 26 includes a sense amplifier 261 provided at the subsequent stage of the column ADC array unit 241 and a sense amplifier 262 provided at the subsequent stage of the column ADC array unit 242.

センスアンプ261は、カラムADCアレイ部241から水平信号線L_2を介して出力されるデジタルの画像信号を増幅し、LVDSシリアライザ271に出力する。本実施の形態では、カラムADC212は、14ビットのデジタルの画像信号を生成し、各ビットの信号の位相を180度ずらし、位相が180度ずらされた信号と、位相がずらされていない信号とからなる合計28個の信号をセンスアンプ261に出力する。   The sense amplifier 261 amplifies a digital image signal output from the column ADC array unit 241 via the horizontal signal line L_2 and outputs the amplified signal to the LVDS serializer 271. In this embodiment, the column ADC 212 generates a 14-bit digital image signal, shifts the phase of each bit signal by 180 degrees, and outputs a signal whose phase is shifted by 180 degrees and a signal whose phase is not shifted. 28 signals in total are output to the sense amplifier 261.

よって、カラムADCアレイ部241とセンスアンプ261とを接続する水平信号線L_2は、合計28本となる。そして、センスアンプ261は、28本の水平信号線L_2を流れる信号をそれぞれ増幅して、各信号の波形を成形してLVDSシリアライザ271に出力する。センスアンプ262は、センスアンプ261と同一構成であるため、説明を省略する。   Therefore, a total of 28 horizontal signal lines L_2 connecting the column ADC array unit 241 and the sense amplifier 261 are provided. The sense amplifier 261 amplifies the signals flowing through the 28 horizontal signal lines L_2, shapes the waveform of each signal, and outputs the waveform to the LVDS serializer 271. Since the sense amplifier 262 has the same configuration as that of the sense amplifier 261, description thereof is omitted.

LVDSシリアライザ271は、LVDS(Low Voltage differential singalings)規格に準拠したシリアライザであり、センスアンプ261から28本の水平信号線L_2を介してパラレルで出力される信号を差動増幅して14ビットの信号とし、シリアルに変換して出力端子281に出力する。LVDSシリアライザ272は、LVDSシリアライザ271と同一構成であるため、説明を省略する。   The LVDS serializer 271 is a serializer compliant with the LVDS (Low Voltage differential singalings) standard, and differentially amplifies a signal output in parallel via the 28 horizontal signal lines L_2 from the sense amplifier 261, thereby a 14-bit signal. And converted to serial and output to the output terminal 281. Since the LVDS serializer 272 has the same configuration as the LVDS serializer 271, description thereof is omitted.

出力端子28は、LVDSシリアライザ271の後段に設けられた出力端子281と、LVDSシリアライザ272の後段に設けられた出力端子282とを備えている。   The output terminal 28 includes an output terminal 281 provided at the subsequent stage of the LVDS serializer 271 and an output terminal 282 provided at the subsequent stage of the LVDS serializer 272.

出力端子281は、LVDSシリアライザ271からの画像信号を第1チャネル信号CH1として画像信号処理部121に出力する。出力端子282は、LVDSシリアライザ272からの画像信号を第2チャネル信号CH2として画像信号処理部121に出力する。   The output terminal 281 outputs the image signal from the LVDS serializer 271 to the image signal processing unit 121 as the first channel signal CH1. The output terminal 282 outputs the image signal from the LVDS serializer 272 to the image signal processing unit 121 as the second channel signal CH2.

ランプ波生成回路29は、一定の傾きを持って直線状に変化するランプ信号を生成して、各カラムADC212に出力する。入力端子210は、撮像素子制御部122から供給されるSYSCLKが入力され、タイミング制御部22に出力する。入力端子211は、撮像素子制御部122から供給されるレジスタ制御信号が入力され、タイミング制御部22に出力する。   The ramp wave generation circuit 29 generates a ramp signal that changes linearly with a certain slope and outputs the ramp signal to each column ADC 212. The input terminal 210 receives SYSCLK supplied from the image sensor control unit 122 and outputs it to the timing control unit 22. The input terminal 211 receives a register control signal supplied from the image sensor control unit 122 and outputs the register control signal to the timing control unit 22.

図3は、本発明の実施の形態1による画素アレイ部21を構成する画素の回路図である。図5に示す画素回路は、受光素子(以下、“PD”と記述する。)、リセットトランジスタRST(以下、“RST”と記述する。)、アンプAMP(以下、“AMP”と記述する。)、行選択トランジスタSEL(以下、“SEL”と記述する。)を備えている。   FIG. 3 is a circuit diagram of pixels constituting the pixel array unit 21 according to the first embodiment of the present invention. The pixel circuit shown in FIG. 5 includes a light receiving element (hereinafter referred to as “PD”), a reset transistor RST (hereinafter referred to as “RST”), and an amplifier AMP (hereinafter referred to as “AMP”). , A row selection transistor SEL (hereinafter referred to as “SEL”).

PDは、例えば表面型のフォトダイオードにより構成され、カソードにRSTを介してPDバイアス信号(画素制御信号の一例、以下、“φRSB”と記述する。)が入力され、アノードに負の駆動電圧PVSS(以下、“PVSS”と記述する)が印加される。ここで、PVSSとしてはローレベル(以下、“Lo”と記述する)の電圧が採用され、Loの電圧としては例えば0Vが採用される。   The PD is composed of, for example, a surface-type photodiode, and a PD bias signal (an example of a pixel control signal, hereinafter referred to as “φRSB”) is input to the cathode via the RST, and the negative drive voltage PVSS is input to the anode. (Hereinafter referred to as “PVSS”) is applied. Here, a low level voltage (hereinafter referred to as “Lo”) is adopted as PVSS, and 0 V is adopted as the Lo voltage, for example.

そして、PDは、φRST=Hi(以下、“Hi”と記述する。)とされ、HiのφRSBがカソードに入力され、アノードにLoのレベルを持つPVSSが入力され、逆バイアス状態でリセットされる。これにより、画素は逆バイアスモードで駆動される。   Then, PD is set to φRST = Hi (hereinafter referred to as “Hi”), Hi φRSB is input to the cathode, PVSS having the Lo level is input to the anode, and is reset in a reverse bias state. . Thereby, the pixel is driven in the reverse bias mode.

一方、PDは、φRST=Hiとされ、LoのφRSBがカソードに入力され、アノードにLoのレベルを持つPVSSが入力され、ゼロバイアス状態でリセットされる。これにより、画素はゼロバイアスモードで駆動される。   On the other hand, PD has φRST = Hi, Lo φRSB is input to the cathode, PVSS having the Lo level is input to the anode, and is reset in a zero bias state. Thereby, the pixel is driven in the zero bias mode.

RSTは、例えばnMOSにより構成され、PDをリセットする。RSTのゲートには、RSTをオン、オフするためのリセット信号φRST(画素制御信号の一例、以下、“φRST”と記述する。)が入力され、ドレインにφRSBが入力され、ソースがPDのカソードに接続されている。そして、RSTは、画素を逆バイアスモードで駆動させる場合、φRST=Hiとなってオンし、HiのφRSBをPDのカソードに供給し、PDを逆バイアス状態でリセットする。また、RSTは、画素をゼロバイアスモードで駆動させる場合、φRST=Hiとなってオンし、LoのφRSBをPDのカソードに供給し、PDをゼロバイアス状態でリセットする。   The RST is composed of, for example, an nMOS and resets the PD. A reset signal φRST (an example of a pixel control signal, hereinafter referred to as “φRST”) for turning on / off RST is input to the gate of RST, φRSB is input to the drain, and the source is the cathode of PD. It is connected to the. When the pixel is driven in the reverse bias mode, the RST is turned on with φRST = Hi, supplies the Hi φRSB to the PD cathode, and resets the PD in the reverse bias state. When the pixel is driven in the zero bias mode, the RST is turned on with φRST = Hi, supplies the Lo φRSB to the cathode of the PD, and resets the PD in the zero bias state.

なお、φRST、φRSBは、例えば、ローデコーダ23から出力される。また、PVSSは例えば接地されている。   Note that φRST and φRSB are output from the row decoder 23, for example. The PVSS is grounded, for example.

AMPは、入力端子がPDとRSTとの接続点に接続され、出力端子がSELを介して垂直信号線L_1に接続され、PDのカソードの電圧を電流増幅してSELに出力する。また、AMPは、正の電源端子に正の駆動電圧PVDD(以下、“PVDD”と記述する。)が供給され、負の電源端子にPVSSが供給されている。なお、PVDDは、図略の電圧源から供給される。   The AMP has an input terminal connected to a connection point between the PD and the RST, an output terminal connected to the vertical signal line L_1 via the SEL, and amplifies the voltage of the cathode of the PD to output to the SEL. In the AMP, a positive drive voltage PVDD (hereinafter referred to as “PVDD”) is supplied to a positive power supply terminal, and PVSS is supplied to a negative power supply terminal. PVDD is supplied from a voltage source (not shown).

SELは、例えばnMOSにより構成され、ゲートに行選択信号φVSEN(画素制御信号の一例、以下、“φVSEN”と記述する。)が入力され、ドレインがAMPの出力端子に接続され、ソースが垂直信号線L_1を介して対応する列のカラムADC212に接続されている。そして、SELは、AMPにより電流増幅された電圧を画像信号として、垂直信号線L_1を介して対応する列のカラムADC212に出力する。ここで、φVSENはローデコーダ23から出力される。   The SEL is composed of, for example, an nMOS, and a row selection signal φVSEN (an example of a pixel control signal, hereinafter referred to as “φVSEN”) is input to a gate, a drain is connected to an output terminal of the AMP, and a source is a vertical signal. It is connected to the column ADC 212 in the corresponding column via the line L_1. The SEL outputs the voltage amplified by the AMP as an image signal to the column ADC 212 of the corresponding column via the vertical signal line L_1. Here, φVSEN is output from the row decoder 23.

図4は、図3に示す画素回路のタイミングチャートである。図4のタイミングチャートは、1フレーム期間T1におけるある1つの画素回路のタイミングチャートを示している。ここで、1フレーム期間T1とは、1行分の画素が1ライン分の画像信号を得るのに要する期間である。そして、この1フレーム期間T1が繰り返されて、順次、水平方向1ライン分の画像信号が得られる。本実施の形態では、1フレーム期間T1は、画素が逆バイアスモードで駆動される第1期間T11と、画素がゼロバイアスモードで駆動される第2期間T12とに区分される。   FIG. 4 is a timing chart of the pixel circuit shown in FIG. The timing chart of FIG. 4 shows a timing chart of one pixel circuit in one frame period T1. Here, one frame period T1 is a period required for pixels for one row to obtain an image signal for one line. Then, this one frame period T1 is repeated to sequentially obtain image signals for one horizontal line. In the present embodiment, one frame period T1 is divided into a first period T11 in which pixels are driven in the reverse bias mode and a second period T12 in which pixels are driven in the zero bias mode.

ここで、第1期間T11では画素からリニア特性の画像信号D1が出力され、第2期間T12では画素からログ特性の画像信号D2が出力される。   Here, in the first period T11, an image signal D1 having a linear characteristic is output from the pixel, and in the second period T12, an image signal D2 having a log characteristic is output from the pixel.

リニア特性の画像信号は時間積分性を有しているため、ある程度の露光期間を確保する必要がある。一方、ログ特性は時間積分性がないため、リニア特性の画像信号のように露光時間を確保する必要はない。本実施の形態では、1フレーム期間T1において、画素は、まず、逆バイアスモードで駆動されてリニア特性を持つ画像信号D1が得られ、次にゼロバイアスモードで駆動されてログ特性を持つ画像信号D2が得られている。よって、1フレーム期間T1において、逆バイアスモードで画素が駆動される時間を十分に確保することができ、精度の良い画像信号D1を得ることができる。   Since an image signal having a linear characteristic has time integration, it is necessary to secure a certain exposure period. On the other hand, since the log characteristics do not have time integration, it is not necessary to secure the exposure time unlike an image signal with linear characteristics. In the present embodiment, in one frame period T1, the pixels are first driven in the reverse bias mode to obtain an image signal D1 having linear characteristics, and then driven in the zero bias mode to have image characteristics having log characteristics. D2 is obtained. Therefore, in one frame period T1, a sufficient time for driving the pixels in the reverse bias mode can be secured, and an accurate image signal D1 can be obtained.

時刻t0では、画素が逆バイアスモードで駆動されており、PDのカソードの電圧が入射光量に応じてシグナルレベルV_s1まで低下する。   At time t0, the pixel is driven in the reverse bias mode, and the voltage of the cathode of the PD decreases to the signal level V_s1 according to the amount of incident light.

時刻t1では、φVSEN=Hiにされ、AMPにより電流増幅されたシグナルレベルV_s1の電圧がノイズ・シグナル成分信号としてカラムADC212に読み出される。   At time t1, φVSEN = Hi is set, and the voltage of the signal level V_s1 that is current-amplified by the AMP is read to the column ADC 212 as a noise signal component signal.

時刻t2では、φRST=Hiにされ、PDがリセットされる。このとき、φRSB=Hiであるため、PDのカソードにはHiのφRSBが入力され、PDのアノードにはLoのレベルを持つPVSSが入力され、PDは逆バイアス状態でリセットされる。これにより、PDのカソードの電圧はHiのレベルに上昇する。   At time t2, φRST = Hi is set, and the PD is reset. Since φRSB = Hi at this time, Hi φRSB is input to the cathode of PD, PVSS having Lo level is input to the anode of PD, and PD is reset in a reverse bias state. As a result, the cathode voltage of the PD rises to the Hi level.

時刻t3では、φRST=Lo、φVSEN=Hiにされ、ノイズレベルV_n1の電圧がAMPにより電流増幅され、ノイズ成分信号としてカラムADC212に読み出される。ここで、φRST=Loになったとき、PDのカソードの電圧がHiのレベルからノイズレベルV_n1まで減少しているのは、PDとRSTとの間の寄生容量等の影響によるものである。   At time t3, φRST = Lo and φVSEN = Hi are set, and the voltage of the noise level V_n1 is current-amplified by the AMP and read to the column ADC 212 as a noise component signal. Here, when φRST = Lo, the voltage at the cathode of the PD decreases from the Hi level to the noise level V_n1 because of the influence of the parasitic capacitance between the PD and the RST.

カラムADC212は、画素からノイズ成分信号を読み出すと、相関二重サンプリング処理を実行して、時刻t1で読み出したノイズ・シグナル成分信号と時刻t3で読み出したノイズ成分信号との差分をとり、ノイズ成分信号に含まれるノイズ成分を除去し、シグナル成分信号を生成する。このシグナル成分信号はAD変換された後、リニア特性を持つ画像信号D1として画像信号処理部121に出力される。   When the column ADC 212 reads the noise component signal from the pixel, the column ADC 212 performs correlated double sampling processing, takes the difference between the noise signal component signal read at time t1 and the noise component signal read at time t3, and obtains the noise component. A noise component included in the signal is removed, and a signal component signal is generated. This signal component signal is AD-converted and then output to the image signal processing unit 121 as an image signal D1 having linear characteristics.

次に、φRSB=Loにされ、第2期間T12が開始される。   Next, φRSB = Lo, and the second period T12 is started.

時刻t4では、φRST=Hiにされ、PDのカソードにLoのφRSBが入力され、PDのアノードにLoのレベルを持つPVSSが入力され、PDがゼロバイアス状態でリセットされる。これにより、PDのカソードの電圧はPVSS(=Lo)にされる。   At time t4, φRST = Hi is set, Lo φRSB is input to the PD cathode, PVSS having the Lo level is input to the PD anode, and the PD is reset in a zero bias state. Thereby, the voltage of the cathode of PD is set to PVSS (= Lo).

時刻t5では、画素がゼロバイアスモードで駆動されており、PDのカソードの電圧が入射光量に応じて、PVSSからシグナルレベルV_s2まで低下する。   At time t5, the pixel is driven in the zero bias mode, and the voltage of the cathode of the PD decreases from PVSS to the signal level V_s2 according to the amount of incident light.

時刻t6では、φVSEN=Hiにされ、AMPにより電流増幅されたシグナルレベルV_s2の電圧がノイズ・シグナル成分信号としてカラムADC212に読み出される。ここで、PDのカソードの電圧は、PVSSを基準として負の方向に振れているのは、時刻t4にてPDをゼロバイアス状態でリセットしたからである。   At time t6, φVSEN = Hi is set, and the voltage of the signal level V_s2 that is current-amplified by AMP is read to the column ADC 212 as a noise signal component signal. Here, the voltage of the cathode of the PD fluctuates in the negative direction with respect to PVSS because the PD was reset in a zero bias state at time t4.

時刻t7では、φRST=Hiにされ、PDがゼロバイアス状態でリセットされ、PDのカソードの電圧がシグナルレベルV_s2からPVSSまで上昇する。また、時刻t7では、φVSEN=Hiにされ、PDのカソードに発生しているPVSSの電圧がノイズ成分信号としてカラムADC212に読み出される。   At time t7, φRST = Hi is set, the PD is reset in a zero bias state, and the voltage of the cathode of the PD rises from the signal level V_s2 to PVSS. At time t7, φVSEN = Hi is set, and the voltage of PVSS generated at the cathode of the PD is read to the column ADC 212 as a noise component signal.

カラムADC212は、画素からノイズ成分信号を読み出すと、相関二重サンプリング処理を実行して、時刻t6で読み出したノイズ・シグナル成分信号と時刻t7で読み出したノイズ成分信号との差分をとり、ノイズ・シグナル成分信号に含まれるノイズ成分を除去し、シグナル成分信号を生成する。このシグナル成分信号はAD変換された後、ログ特性を持つ画像信号D2として画像信号処理部121に出力される。   When the column ADC 212 reads the noise component signal from the pixel, the column ADC 212 performs correlated double sampling processing, takes the difference between the noise signal component signal read at time t6 and the noise component signal read at time t7, A noise component included in the signal component signal is removed, and a signal component signal is generated. This signal component signal is AD-converted and then output to the image signal processing unit 121 as an image signal D2 having log characteristics.

時刻t8では、φRST=Hiにされ、φRSB=Hiにされ、PDが逆バイアス状態でリセットされる。以後、時刻t1〜t8で示す駆動シーケンスが1フレーム期間T1で行われ、この駆動シーケンスが繰り返され、1行の画像信号が順次に得られる。   At time t8, φRST = Hi, φRSB = Hi, and the PD is reset in the reverse bias state. Thereafter, the drive sequence shown at times t1 to t8 is performed in one frame period T1, and this drive sequence is repeated to sequentially obtain one row of image signals.

図5は、逆バイアスモードで駆動された画素の光電変換特性の一例を示したグラフであり、縦軸はシグナル成分信号示し、横軸は入射光強度を示している。なお、図5では、横軸は対数軸である。図5に示すように、画素は、逆バイアスモードで駆動されると、入射光強度が増大するにつれて、シグナル成分信号が線形に増大するリニア特性の光電変換特性を持っていることが分かる。なお、図5では、横軸が対数軸であるため、図5に示すような曲線が入射光強度に対して線形な出力となる。また、図5では、入射光強度がL1以上の領域では、シグナル成分信号は一定のレベルを維持しており、飽和していることが分かる。また、図5に示すようにリニア特性の傾きは大きいことが分かる。したがって、リニア特性は、ダイナミックレンジは小さいが、感度が高いという特性を持っていることが分かる。   FIG. 5 is a graph showing an example of photoelectric conversion characteristics of a pixel driven in the reverse bias mode, in which the vertical axis indicates a signal component signal and the horizontal axis indicates incident light intensity. In FIG. 5, the horizontal axis is a logarithmic axis. As shown in FIG. 5, when the pixel is driven in the reverse bias mode, it can be seen that the signal component signal has a linear photoelectric conversion characteristic that linearly increases as the incident light intensity increases. In FIG. 5, since the horizontal axis is a logarithmic axis, a curve as shown in FIG. 5 is an output linear with respect to the incident light intensity. In FIG. 5, it can be seen that the signal component signal maintains a constant level and is saturated in the region where the incident light intensity is L1 or more. Further, it can be seen that the slope of the linear characteristic is large as shown in FIG. Therefore, it can be seen that the linear characteristic has a characteristic that the dynamic range is small but the sensitivity is high.

従来の固体撮像装置では、図9に示すように、PDとFDとの間に転送トランジスタTX(以下、“TX”と記述する。)を設け、TXのゲートにHiとLoとの中間のレベルを持つ中間電圧を印加した状態でPD画素を露光させて、リニアログ特性を実現していた。   In the conventional solid-state imaging device, as shown in FIG. 9, a transfer transistor TX (hereinafter referred to as “TX”) is provided between PD and FD, and the intermediate level between Hi and Lo is provided at the gate of TX. The PD pixel was exposed in the state where an intermediate voltage having the above is applied to realize a linear log characteristic.

TXのゲートに中間電圧を印加し、TXのゲートを半開状態にすると、PDに蓄積される信号電荷は一定の量を超えるまでは、TXのエネルギー障壁を越えることができず、リニア特性で蓄積される。   When an intermediate voltage is applied to the TX gate and the TX gate is in a half-open state, the signal charge accumulated in the PD cannot exceed the TX energy barrier until it exceeds a certain amount, and is accumulated with linear characteristics. Is done.

一方、PDに蓄積される信号電荷が一定の量を超えると、信号電荷の一部がTXのエネルギー障壁を越えてTX側に漏れ出るため、PDは信号電荷を漏らしつつ蓄積し、ログ特性で信号電荷を蓄積する。これにより、画素は、低輝度側がリニア特性、高輝度側がログ特性のリニアログ特性を持つことになる。   On the other hand, if the signal charge accumulated in the PD exceeds a certain amount, a part of the signal charge leaks over the TX energy barrier and leaks to the TX side. Therefore, the PD accumulates while leaking the signal charge, and has log characteristics. Accumulate signal charge. Thus, the pixel has a linear log characteristic in which the low luminance side has a linear characteristic and the high luminance side has a log characteristic.

ここで、画素は、リニア特性で信号電荷を蓄積する場合、TXのエネルギー障壁に依存することなく信号電荷を蓄積するため、リニア特性の個体間のばらつきは少ない。一方、画素は、ログ特性で信号電荷を蓄積する場合、TXのエネルギー障壁に大きく依存するため、ログ特性の個体間のばらつきが大きくなってしまう。このように、リニア特性のばらつきは少ないがログ特性のばらつきが大きいというのが従来のリニアログ特性を持つ固体撮像装置の問題点であった。   Here, when the signal charges are accumulated with the linear characteristics, the pixels accumulate the signal charges without depending on the energy barrier of TX, so that there is little variation among individuals of the linear characteristics. On the other hand, when the signal charge is accumulated in the log characteristic, the pixel greatly depends on the TX energy barrier, and thus the variation in the log characteristic among individuals increases. As described above, the fact that the variation in the log characteristics is large while the variation in the linear characteristics is small is a problem of the conventional solid-state imaging device having the linear log characteristics.

そこで、本実施の形態では、第1期間T11において画素を逆バイアスモードで駆動し、リニア特性を持つ画像信号D1を取得し、第2期間T12において画素をゼロバイアスモードで駆動し、ログ特性を持つ画像信号D2を取得することで、上記の問題点を解決した。   Therefore, in the present embodiment, the pixel is driven in the reverse bias mode in the first period T11 to obtain the image signal D1 having the linear characteristic, and the pixel is driven in the zero bias mode in the second period T12, so that the log characteristic is increased. By acquiring the image signal D2 possessed, the above problems were solved.

図6は、ゼロバイアスモードで駆動された画素の光電変換特性を示したグラフであり、縦軸はシグナル成分信号を示し、横軸は入射光強度を示している。なお、横軸は対数である。図6に示すように、画素は、ゼロバイアスモードで駆動されると、入射光強度が増大するにつれて、シグナル成分信号が対数的に増大するログ特性の光電変換特性を持っていることが分かる。なお、図6では、横軸が対数軸であるため、対数的な変化が直線で表されている。   FIG. 6 is a graph showing the photoelectric conversion characteristics of a pixel driven in the zero bias mode, in which the vertical axis indicates the signal component signal and the horizontal axis indicates the incident light intensity. The horizontal axis is logarithm. As shown in FIG. 6, when the pixel is driven in the zero bias mode, it is understood that the signal component signal has a logarithmic photoelectric conversion characteristic in which the signal component signal increases logarithmically as the incident light intensity increases. In FIG. 6, since the horizontal axis is a logarithmic axis, the logarithmic change is represented by a straight line.

ここで、画素をゼロバイアスモードで駆動した場合に得られるログ特性は、従来のリニアログ特性を持つ固体撮像装置のようにTXに中間電圧を印加して実現されたものではないため、従来のリニアログ特性を持つ固体撮像装置に比べて、ばらつきの少ないログ特性を得ることができる。そこで、本実施の形態では、ログ特性の画像信号は画素をゼロバイアスモードで駆動させることで得られる画像信号D2を採用することで、ログ特性のばらつきを少なくしている。   Here, the log characteristic obtained when the pixel is driven in the zero bias mode is not realized by applying an intermediate voltage to TX unlike the conventional solid-state imaging device having the linear log characteristic. Compared to a solid-state imaging device having characteristics, log characteristics with less variation can be obtained. Therefore, in this embodiment, the log characteristic variation is reduced by adopting the image signal D2 obtained by driving the pixel in the zero bias mode as the log characteristic image signal.

図7は、図1に示す画像信号処理部121の詳細な構成を示した回路図である。画像信号処理部121は、比較器111、CPU112、2個の加算器113,115、2個の乗算器114,116、スイッチ117、及び色補間部118を備えている。   FIG. 7 is a circuit diagram showing a detailed configuration of the image signal processing unit 121 shown in FIG. The image signal processing unit 121 includes a comparator 111, a CPU 112, two adders 113 and 115, two multipliers 114 and 116, a switch 117, and a color interpolation unit 118.

色補間部118は、色成分毎に欠落画素を補間するための色補間処理を行い、色成分毎にM行×N列の画素からなる1枚の画像データを生成し、各画素の画像信号を順次に出力する。本実施の形態では、画素アレイ部21は、R,G,Bの画素が例えばベイヤー配列で配列されている。そのため、画像信号D1につき、R、G、Bの3つの色成分、画像信号D2につき、R、G、Bの3つの色成分が存在している。   The color interpolation unit 118 performs color interpolation processing for interpolating missing pixels for each color component, generates one image data composed of M rows × N columns for each color component, and outputs an image signal of each pixel. Are output sequentially. In the present embodiment, the pixel array unit 21 has R, G, B pixels arranged in a Bayer array, for example. Therefore, there are three color components R, G, and B for the image signal D1, and three color components R, G, and B for the image signal D2.

よって、色補間部118は、画像信号D1につき、R、G、Bの3枚の画像データを補間処理により生成し、画像信号D2につき、R、G、Bの3枚の画像データを補間処理により生成する。ここで、補間処理としては、補間対象となる画素の周辺画素の画像信号を線形補間等して、補間対象となる画素の画像信号を算出する処理を採用すればよい。   Therefore, the color interpolation unit 118 generates three pieces of image data of R, G, and B for the image signal D1 by interpolation processing, and performs interpolation processing of the three pieces of image data of R, G, and B for the image signal D2. Generate by. Here, as the interpolation process, a process of calculating an image signal of a pixel to be interpolated by linearly interpolating an image signal of a peripheral pixel of the pixel to be interpolated may be employed.

具体的には、色補間部118は、例えば、R、G、Bの画像信号D1を展開するための3枚のフレームバッファと、R、G、Bの画像信号D2を展開するための3枚のフレームバッファとを用意する。そして、色補間部118は、画像信号が入力される都度、その画像信号を対応する色のフレームバッファの対応するアドレスに書き込み、画像信号D1,D2を色成分毎に分けてそれぞれ展開する。   Specifically, the color interpolation unit 118, for example, three frame buffers for developing the R, G, and B image signals D1, and three sheets for developing the R, G, and B image signals D2. Frame buffer. Each time an image signal is input, the color interpolation unit 118 writes the image signal to the corresponding address of the corresponding color frame buffer, and develops the image signals D1 and D2 separately for each color component.

そして、色補間部118は、画像信号D1を展開するためのR,G,Bのフレームバッファに展開された画像信号D1を線形補間すると共に、画像信号D2を展開するためのR、G、Bのフレームバッファに展開された画像信号D2を線形補間して、欠落画素を補間する。   The color interpolation unit 118 linearly interpolates the image signal D1 developed in the R, G, B frame buffer for developing the image signal D1, and R, G, B for developing the image signal D2. The image signal D2 developed in the frame buffer is linearly interpolated to interpolate missing pixels.

補間処理が終了すると、色補間部118は、補間後の画像信号D1を順次に出力すると同時に、当該画像信号D1と同一画素かつ同一色の画像信号D2を順次に出力する。例えば、色補間部118は、1行1列目の画素のRの画像信号D1を出力したとすると、その出力と同時に1行1列目の画素のRの画像信号D2を出力するというようにして、ラスタ走査するように各画素のRの画像信号D1,D2を順次に出力する。   When the interpolation processing is completed, the color interpolation unit 118 sequentially outputs the interpolated image signal D1 and simultaneously outputs the image signal D2 having the same pixel and color as the image signal D1. For example, if the color interpolation unit 118 outputs the R image signal D1 of the pixel in the first row and the first column, the color interpolation unit 118 outputs the R image signal D2 of the pixel in the first row and the first column simultaneously with the output. Thus, R image signals D1 and D2 of each pixel are sequentially output so as to perform raster scanning.

そして、色補間部118は、Rの全画素の画像信号D1,D2の出力が終了すると、次にGの画像信号D1,D2を出力し、Gの全画素の画像信号D1,D2の出力が終了すると、その次にBの画像信号D1,D2を出力するというようにして、画像信号を順次出力していく。   When the output of the image signals D1 and D2 for all the R pixels ends, the color interpolation unit 118 then outputs the G image signals D1 and D2, and the output of the image signals D1 and D2 for all the G pixels. When the processing is completed, the image signals D are sequentially output in such a manner that the B image signals D1 and D2 are output next.

比較器111は、色補間部118から色補間後の画像信号D1が順次に入力される。そして、比較器111は、入力された画像信号D1のレベルを所定の閾値THと比較し、比較結果に基づいて、スイッチ117を画像信号D1側又は画像信号D2側に切り替える。   The comparator 111 sequentially receives the image signals D1 after color interpolation from the color interpolation unit 118. The comparator 111 compares the level of the input image signal D1 with a predetermined threshold TH, and switches the switch 117 to the image signal D1 side or the image signal D2 side based on the comparison result.

具体的には、比較器111は、画像信号D1>閾値THならば、スイッチ117を画像信号D2側に切り替える。これにより、画像信号処理部121からは最終的に画像信号D2が出力画像信号D3として出力される。   Specifically, the comparator 111 switches the switch 117 to the image signal D2 side when the image signal D1> the threshold value TH. As a result, the image signal processing unit 121 finally outputs the image signal D2 as the output image signal D3.

一方、比較器111は、画像信号D1≦閾値THならば、スイッチ117を画像信号D1側に切り替える。これにより、画像信号処理部121からは最終的に画像信号D1が出力画像信号D3として出力される。   On the other hand, if the image signal D1 ≦ the threshold value TH, the comparator 111 switches the switch 117 to the image signal D1 side. As a result, the image signal processing unit 121 finally outputs the image signal D1 as the output image signal D3.

ここで、閾値THとしては図8に示す光電変換特性の変曲点P1のシグナル成分信号のレベルが採用されている。したがって、比較器111は、画像信号D1>閾値THの場合、画像信号D1を出力した画素がログ領域の高輝度の光を受光したと判定し、ログ特性を持つ画像信号D2を出力画像信号D3として選択する。   Here, as the threshold value TH, the level of the signal component signal at the inflection point P1 of the photoelectric conversion characteristic shown in FIG. 8 is adopted. Therefore, when the image signal D1> the threshold value TH, the comparator 111 determines that the pixel that has output the image signal D1 has received high-luminance light in the log area, and outputs the image signal D2 having log characteristics as the output image signal D3. Select as.

一方、比較器111は、画像信号D1≦閾値THの場合、画像信号D1を出力した画素がリニア領域の低輝度の光を受光したと判定し、リニア特性を持つ画像信号D1を出力画像信号D3として選択する。これにより、図8に示すように、低輝度側がリニア特性を持ち、高輝度側がログ特性を持つリニアログ特性の光電変換特性を実現することができる。   On the other hand, when the image signal D1 ≦ the threshold TH, the comparator 111 determines that the pixel that has output the image signal D1 has received low-luminance light in the linear region, and outputs the image signal D1 having linear characteristics as the output image signal D3. Select as. As a result, as shown in FIG. 8, it is possible to realize a photoelectric conversion characteristic of a linear log characteristic having a linear characteristic on the low luminance side and a log characteristic on the high luminance side.

スイッチ117は、例えば、スイッチング素子により構成され、比較器111から画像信号D1>閾値THを示す信号(例えば、Hiの信号)が入力された場合、端子117bと端子117cとを接続し、画像信号D2を出力する。また、スイッチ117は、比較器111から画像信号D1≦閾値THを示す信号(例えば、Loの信号)が入力された場合、端子117aと端子117cとを接続し、画像信号D1を出力する。   The switch 117 is configured by, for example, a switching element. When a signal indicating the image signal D1> threshold value TH (for example, a Hi signal) is input from the comparator 111, the switch 117 connects the terminal 117b and the terminal 117c, and the image signal D2 is output. Further, when a signal indicating the image signal D1 ≦ the threshold value TH (for example, a Lo signal) is input from the comparator 111, the switch 117 connects the terminal 117a and the terminal 117c and outputs the image signal D1.

但し、画像信号D1と画像信号D2とを単純に切り替えただけでは、図8に示すようなリニア特性とログ特性とが変曲点P1で滑らかに繋げられた光電変換特性を得ることができない可能性がある。   However, it is not possible to obtain a photoelectric conversion characteristic in which the linear characteristic and the log characteristic as shown in FIG. 8 are smoothly connected at the inflection point P1 by simply switching between the image signal D1 and the image signal D2. There is sex.

そこで、図7に示す画像信号処理部121では、加算器113,115及び乗算器114,116が設けられている。加算器113は、画像信号D1に所定の加算値a1を加算し、乗算器114に出力する。加算器115は、画像信号D2に所定の加算値a2を加算し、乗算器116に出力する。   Therefore, the image signal processing unit 121 shown in FIG. 7 includes adders 113 and 115 and multipliers 114 and 116. The adder 113 adds a predetermined addition value a1 to the image signal D1 and outputs it to the multiplier 114. The adder 115 adds a predetermined addition value a2 to the image signal D2 and outputs the result to the multiplier 116.

ここで、図5に示すリニア特性のグラフに、図8に示す変曲点P1の対応点P1’をプロットしたときの対応点P1’のシグナル成分信号のレベルをV1とする。また、図6に示すログ特性に、図12に示す変曲点P1の対応点P1’’をプロットしたときの対応点P1’’のシグナル成分信号のレベルをV2とする。なお、対応点P1’、P1’’は、入射光強度が変曲点P1の入射光強度L2を持つ点である。   Here, the level of the signal component signal at the corresponding point P1 'when the corresponding point P1' of the inflection point P1 shown in FIG. 8 is plotted on the linear characteristic graph shown in FIG. Further, the level of the signal component signal at the corresponding point P1 ″ when the corresponding point P1 ″ of the inflection point P1 shown in FIG. 12 is plotted on the log characteristics shown in FIG. The corresponding points P1 'and P1 "are points where the incident light intensity has the incident light intensity L2 at the inflection point P1.

この場合、加算値a1,a2としては、V1とV2とが閾値THになるような値を採用すればよい。つまり、TH=a1+V1=a2+V2となるように加算値a1、a2を定めればよい。ここで、加算値a1、a2は予め設定されており、CPU112から加算器113、115に供給される。   In this case, the added values a1 and a2 may be values such that V1 and V2 become the threshold value TH. That is, the addition values a1 and a2 may be determined so that TH = a1 + V1 = a2 + V2. Here, the addition values a1 and a2 are preset and supplied from the CPU 112 to the adders 113 and 115.

また、画像信号D1が持つリニア特性と画像信号D2が持つログ特性とは、例えば、周囲温度の変化に応じて傾きが変動することがある。そこで、乗算器114は、変動したリニア特性の傾きを元のリニア特性の傾きに戻すために画像信号D1に係数b1を乗算する。また、乗算器116は、変動したログ特性の傾きを元のログ特性の傾きに戻すために画像信号D2に計数b2を乗算する。これにより、一定のリニアログ特性を持つ出力画像信号D3が得られる。   In addition, the slope of the linear characteristic of the image signal D1 and the log characteristic of the image signal D2 may fluctuate according to changes in ambient temperature, for example. Therefore, the multiplier 114 multiplies the image signal D1 by a coefficient b1 in order to return the slope of the changed linear characteristic to the original slope of the linear characteristic. Further, the multiplier 116 multiplies the image signal D2 by a count b2 in order to return the slope of the changed log characteristics to the original slope of the log characteristics. Thereby, an output image signal D3 having a certain linear log characteristic is obtained.

ここで、係数b1、b2は予め設定されておりCPU112から乗算器114、116に供給される。具体的には、CPU112は、周囲温度と、周囲温度に対応する係数b1、b2との関係が予め規定されたルックアップテーブルを参照することで、係数b1、b2を決定し、乗算器114、116に供給すればよい。   Here, the coefficients b1 and b2 are preset and supplied from the CPU 112 to the multipliers 114 and 116. Specifically, the CPU 112 determines the coefficients b1 and b2 by referring to a lookup table in which the relationship between the ambient temperature and the coefficients b1 and b2 corresponding to the ambient temperature is defined in advance, and the multiplier 114, 116 may be supplied.

また、CPU112は例えば図略の温度センサにより検出された測定データから周囲温度を決定すればよい。   Further, the CPU 112 may determine the ambient temperature from measurement data detected by a temperature sensor (not shown), for example.

なお、図7では、比較器111は、画像信号D1を閾値THと比較したが、これに限定されず、画像信号D2を閾値THと比較してもよい。   In FIG. 7, the comparator 111 compares the image signal D1 with the threshold value TH. However, the present invention is not limited to this, and the image signal D2 may be compared with the threshold value TH.

図8は、出力画像信号D3の光電変換特性を示したグラフであり、縦軸はシグナル成分信号を示し、横軸は入射光強度を示している。なお、横軸は対数軸である。   FIG. 8 is a graph showing the photoelectric conversion characteristics of the output image signal D3, where the vertical axis shows the signal component signal and the horizontal axis shows the incident light intensity. The horizontal axis is a logarithmic axis.

画像信号処理部121が上記の処理を行っているため、出力画像信号D3は、図8に示すように、変曲点P1を境に低輝度側がリニア特性を持ち、高輝度側がログ特性を持つリニアログ特性の光電変換特性を持つことになる。   Since the image signal processing unit 121 performs the above processing, the output image signal D3 has a linear characteristic on the low luminance side and a log characteristic on the high luminance side at the inflection point P1, as shown in FIG. It has a photoelectric conversion characteristic of a linear log characteristic.

例えば閾値THをシグナル成分信号の最大レベルの50%に設定した場合、最大レベルの50%未満の画像信号D1が出力されると、リニア特性の画像信号D1が出力され、最大レベルの50%以上の画像信号D1が出力されると、ログ特性の画像信号D2が出力される。そのため、変曲点P1よりも低輝度な被写体を高感度なリニア特性で撮像し、変曲点よりも高輝度の被写体を高ダイナミックレンジなログ特性で撮像することができる。   For example, when the threshold value TH is set to 50% of the maximum level of the signal component signal, when an image signal D1 less than 50% of the maximum level is output, an image signal D1 having a linear characteristic is output, and 50% or more of the maximum level. When the image signal D1 is output, the log characteristic image signal D2 is output. Therefore, it is possible to image a subject having a lower luminance than the inflection point P1 with a highly sensitive linear characteristic and to image a subject having a higher luminance than the inflection point with a log characteristic having a high dynamic range.

そして、画像信号D2はゼロバイアスモードで駆動された画素から出力されているので、ばらつきが非常に少ない画像信号を得ることができる。特に、閾値TH付近においてノイズが非常に少なく、高品位な画像信号が得られる。   Since the image signal D2 is output from a pixel driven in the zero bias mode, an image signal with very little variation can be obtained. In particular, there is very little noise near the threshold TH, and a high-quality image signal can be obtained.

以上のように、本固体撮像装置では、1フレーム期間T1を第1期間T11と第2期間T12とに分け、第1期間T11において画素を逆バイアスモードで駆動させて画像信号D1を取得し、第2期間T12において画素をゼロバイアスモードで駆動させて画像信号D2を取得している。そのため、1フレーム期間において、高感度なリニア特性の画像信号D1と、ばらつきの少ないログ特性の画像信号D2とを同時に得ることができる。そして、後段に設けられた画像信号処理部121によって両信号を切り替えることによって、リニア特性とログ特性とが合成されたリニアログ特性の固体撮像装置を提供することができ、ログ領域においてばらつきの少ないリニアログ特性を実現することができる。また、画素を表面型のフォトダイオードで構成したため、画素アレイ部21の製造プロセスを単純化することができる。   As described above, in the solid-state imaging device, one frame period T1 is divided into the first period T11 and the second period T12, and the pixels are driven in the reverse bias mode in the first period T11 to obtain the image signal D1. In the second period T12, the pixel is driven in the zero bias mode to acquire the image signal D2. Therefore, in one frame period, an image signal D1 having a high sensitivity linear characteristic and an image signal D2 having a log characteristic with little variation can be obtained simultaneously. Then, by switching both signals by the image signal processing unit 121 provided in the subsequent stage, it is possible to provide a solid-state imaging device having a linear log characteristic in which the linear characteristic and the log characteristic are combined, and a linear log with little variation in the log area. Characteristics can be realized. In addition, since the pixel is configured by a surface-type photodiode, the manufacturing process of the pixel array unit 21 can be simplified.

(実施の形態2)
実施の形態2による固体撮像装置は、画素の受光素子を埋込型のフォトダイオードで構成したことを特徴とする。なお、本実施の形態において、実施の形態1と同一のものは同一の符号を付し、説明を省略する。
(Embodiment 2)
The solid-state imaging device according to the second embodiment is characterized in that the light receiving element of the pixel is configured by an embedded photodiode. In the present embodiment, the same components as those in the first embodiment are denoted by the same reference numerals, and description thereof is omitted.

図9は、本発明の実施の形態2による画素アレイ部21を構成する画素の回路図である。図9に示す画素回路は、図3に示す画素回路に対して、更に、TX及び浮遊拡散層(以下、“FD”と記述する。FD:floating diffusion)が設けられている。   FIG. 9 is a circuit diagram of pixels constituting the pixel array unit 21 according to the second embodiment of the present invention. The pixel circuit shown in FIG. 9 is further provided with TX and a floating diffusion layer (hereinafter referred to as “FD”; FD: floating diffusion) in addition to the pixel circuit shown in FIG.

図9に示す画素回路において、PDは埋込型のフォトダイオードにより構成され、アノードにPVSSが入力され、カソードにTXのソースが接続されている。   In the pixel circuit shown in FIG. 9, the PD is composed of an embedded photodiode, PVSS is input to the anode, and the source of TX is connected to the cathode.

TXは、例えばnMOS(negative channel Metal Oxide Semiconductor)により構成され、PDにより蓄積された信号電荷をFDに転送する。TXのゲートには、TXをオン、オフするための転送制御信号φTX(画素制御信号の一例、以下、“φTX”と記述する。)が入力される。TXのドレインは、FDを介してRSTに接続されている。φTXがLoになるとTXのゲートが閉じてTXがオフし、φTXがHiになると、TXのゲートが開いてTXがオンする。なお、φTXは、ローデコーダ23から出力される。   The TX is configured by, for example, an nMOS (negative channel metal oxide semiconductor), and transfers signal charges accumulated by the PD to the FD. A transfer control signal φTX (an example of a pixel control signal, hereinafter referred to as “φTX”) for turning on / off TX is input to the gate of TX. The drain of TX is connected to RST via FD. When φTX becomes Lo, the TX gate is closed and TX is turned off. When φTX becomes Hi, the TX gate is opened and TX is turned on. Note that φTX is output from the row decoder 23.

FDは、PDから転送された信号電荷を蓄積する。これにより、FDには信号電荷に応じた電圧が現れる。   The FD accumulates signal charges transferred from the PD. As a result, a voltage corresponding to the signal charge appears in the FD.

RSTは、例えばnMOSにより構成され、FDをリセットし、FDに蓄積された信号電荷をFDの外部に排出する。   The RST is composed of, for example, an nMOS, resets the FD, and discharges signal charges accumulated in the FD to the outside of the FD.

RSTのゲートには、φRSTが入力され、ドレインにφRSBが入力され、ソースがFDを介してAMPの入力端子に接続されている。また、RSTは、画素を逆バイアスモードで駆動させるために、PDのカソードにφRSB=Hiの電圧を入力してPDをリセットする。また、RSTは、画素をゼロバイアスモードで駆動させるために、PDのカソードにφRSB=Loの電圧を入力してPDをリセットする。   ΦRST is input to the gate of RST, φRSB is input to the drain, and the source is connected to the input terminal of AMP via FD. The RST resets the PD by inputting a voltage of φRSB = Hi to the cathode of the PD in order to drive the pixel in the reverse bias mode. The RST resets the PD by inputting a voltage of φRSB = Lo to the cathode of the PD in order to drive the pixel in the zero bias mode.

なお、φRST、φRSBはローデコーダ23から出力される。また、PVSSは例えば接地されている。   Note that φRST and φRSB are output from the row decoder 23. The PVSS is grounded, for example.

AMPは、入力端子がFDに接続され、出力端子がSELを介して垂直信号線L_1に接続され、FDのカソードの電圧を電流増幅してSELに出力する。また、AMPは、正の電源端子にPVDDが供給され、負の電源端子にPVSSが供給されている。   The AMP has an input terminal connected to the FD and an output terminal connected to the vertical signal line L_1 via the SEL, and amplifies the voltage of the cathode of the FD and outputs it to the SEL. In the AMP, PVDD is supplied to the positive power supply terminal and PVSS is supplied to the negative power supply terminal.

図10は、図9に示す画素回路のタイミングチャートである。なお、図10に示すタイミングチャートも、図4に示すタイミングチャートと同様、1フレーム期間T1が第1期間T11と第2期間T12とに分けられ、第1期間T11において画素は逆バイアスモードで駆動され、第2期間T12において画素はゼロバイアスモードで駆動されている。   FIG. 10 is a timing chart of the pixel circuit shown in FIG. Note that the timing chart shown in FIG. 10 is also divided into the first period T11 and the second period T12 in the same manner as the timing chart shown in FIG. 4, and the pixels are driven in the reverse bias mode in the first period T11. In the second period T12, the pixel is driven in the zero bias mode.

時刻t0では、φRST=Hiにされ、HiのφRSBがFDに印加され、FDがリセットされる。これにより、FDの電圧がHiとなる。   At time t0, φRST = Hi, Hi φRSB is applied to the FD, and the FD is reset. Thereby, the voltage of FD becomes Hi.

時刻t1では、φVSEN=Hiにされ、FDに現れているノイズレベルV_n1の電圧がノイズ成分信号としてカラムADC212により読み出される。なお、時刻t1において、φRST=Loにされることで、FDの電圧がHiからノイズレベルV_n1に低下しているのは、FDとRSTとの間の寄生容量やFDのktcノイズ等の影響のためである。   At time t1, φVSEN = Hi is set, and the voltage of the noise level V_n1 appearing in the FD is read by the column ADC 212 as a noise component signal. At time t1, φRST = Lo, so that the voltage of FD decreases from Hi to noise level V_n1 because of the influence of parasitic capacitance between FD and RST, ktc noise of FD, and the like. Because.

時刻t2では、φVSEN=Lo、φTX=Hiとされ、PDに蓄積された信号電荷がFDに転送される。これにより、FDの電圧はノイズレベルV_n1からシグナルレベルV_s1まで低下する。   At time t2, φVSEN = Lo and φTX = Hi are set, and the signal charge accumulated in the PD is transferred to the FD. Thereby, the voltage of FD falls from noise level V_n1 to signal level V_s1.

時刻t3では、φVSEN=Hi、φTX=Loにされ、FDに現れているシグナルレベルV_s1の電圧がAMPにより電流増幅され、ノイズ・シグナル成分信号として、カラムADC212により読み出される。   At time t3, φVSEN = Hi and φTX = Lo are set, and the voltage of the signal level V_s1 appearing in the FD is current-amplified by the AMP and read out by the column ADC 212 as a noise signal component signal.

カラムADC212は、ノイズ・シグナル成分信号を読み出すと、相関二重サンプリングを実行して、時刻t1で読み出したノイズ成分信号と時刻t3で読み出したノイズ・シグナル成分信号との差分をとり、ノイズ・シグナル成分信号に含まれるノイズ成分を除去し、シグナル成分信号を生成する。このシグナル成分信号はAD変換された後、リニア特性を持つ画像信号D1として画像信号処理部121に出力される。   When the column ADC 212 reads the noise signal component signal, the column ADC 212 performs correlated double sampling, takes the difference between the noise component signal read at time t1 and the noise signal component signal read at time t3, and obtains the noise signal. A noise component included in the component signal is removed, and a signal component signal is generated. This signal component signal is AD-converted and then output to the image signal processing unit 121 as an image signal D1 having linear characteristics.

次に、φRSB=Loにされ、第2期間T12が開始される。   Next, φRSB = Lo, and the second period T12 is started.

時刻t4では、φRST=Hi、φTX=Hiにされ、LoのφRSBがPDのカソードに入力され、PDがゼロバイアス状態でリセットされる。これにより、FDの電圧はシグナルレベルV_s1からPVSS(=Lo)まで低下する。   At time t4, φRST = Hi and φTX = Hi are set, Lo φRSB is input to the cathode of the PD, and the PD is reset in a zero bias state. Thereby, the voltage of FD falls from signal level V_s1 to PVSS (= Lo).

次に、φRSTがHiからLoにされ、ゼロバイアスモードでの露光が開始される。   Next, φRST is changed from Hi to Lo, and exposure in the zero bias mode is started.

時刻t5では、画素がゼロバイアスモードで駆動されており、入射光量に応じてPDのカソードの電圧がPVSSからシグナルレベルV_s2まで低下し、FDの電圧がPVSSからシグナルレベルV_s2まで低下する。   At time t5, the pixel is driven in the zero bias mode, the voltage of the cathode of the PD decreases from PVSS to the signal level V_s2 according to the amount of incident light, and the voltage of the FD decreases from PVSS to the signal level V_s2.

時刻t6では、φVSEN=Hiにされ、FDに現れるシグナルレベルV_s2の電圧がAMPにより電流増幅され、ノイズ・シグナル成分信号としてカラムADC212に読み出される。   At time t6, φVSEN = Hi, the voltage of the signal level V_s2 appearing on the FD is amplified by the AMP, and read out to the column ADC 212 as a noise signal component signal.

時刻t7では、φRST=Hiにされ、LoのφRSBがPDのカソードに入力され、PDがゼロバイアス状態でリセットされる。これにより、FDの電圧がシグナルレベルV_s2からPVSSまで上昇する。また、時刻t7では、φVSEN=Hiにされているため、FDに現れているPVSSの電圧がAMPにより電流増幅され、ノイズ成分信号としてカラムADC212に読み出される。   At time t7, φRST = Hi is set, Lo φRSB is input to the cathode of the PD, and the PD is reset in a zero bias state. As a result, the voltage of the FD increases from the signal level V_s2 to PVSS. At time t7, since φVSEN = Hi, the voltage of PVSS appearing on the FD is amplified by the AMP and read to the column ADC 212 as a noise component signal.

カラムADC212は、ノイズ成分信号を読み出すと、相関二重サンプリングを実行して、時刻t6で読み出したノイズ・シグナル信号成分と時刻t7で読み出したノイズ成分信号との差分をとり、ノイズ・シグナル成分信号に含まれるノイズ成分を除去し、シグナル成分信号を生成する。このシグナル成分信号はAD変換された後、ログ特性を持つ画像信号D2として画像信号処理部121に出力される。   When the column ADC 212 reads the noise component signal, it performs correlated double sampling, takes the difference between the noise signal signal component read at time t6 and the noise component signal read at time t7, and obtains the noise signal component signal. The noise component contained in is removed, and a signal component signal is generated. This signal component signal is AD-converted and then output to the image signal processing unit 121 as an image signal D2 having log characteristics.

時刻t8では、φRST=Hi、φRSB=Hiにされ、HiのφRSBがFDに入力され、FDがリセットされる。これにより、FDの電圧がPVSSからHiに上昇する。また、時刻t8ではPDのカソードにHiのφRSBが入力されるため、PDは逆バイアス状態でリセットされる。これにより、次に続く第1期間T11において、画素は逆バイアスモードで駆動されることになる。   At time t8, φRST = Hi, φRSB = Hi, Hi φRSB is input to the FD, and the FD is reset. Thereby, the voltage of FD rises from PVSS to Hi. At time t8, Hi φRSB is input to the cathode of the PD, so that the PD is reset in a reverse bias state. As a result, in the subsequent first period T11, the pixel is driven in the reverse bias mode.

このように、実施の形態による固体撮像装置では、埋込型のフォトダイオードを備える画素を採用した場合であっても、実施の形態1と同様、1フレーム期間T1にてリニア特性を持つ画像信号D1とログ特性を持つ画像信号D2とを得ることができる。そのため、ログ領域においてばらつきの少ないリニアログ特性を実現することができる。また、画素を埋込型のフォトダイオードで構成したため、高品質の画像信号を得ることができる。   As described above, in the solid-state imaging device according to the embodiment, an image signal having linear characteristics in one frame period T1 is the same as in the first embodiment, even when a pixel including an embedded photodiode is employed. D1 and an image signal D2 having log characteristics can be obtained. Therefore, linear log characteristics with little variation in the log area can be realized. Further, since the pixel is composed of an embedded photodiode, a high-quality image signal can be obtained.

なお、実施の形態1、2では、1フレーム期間において、画素は、逆バイアスモード及びゼロバイアスモードの順で駆動されているが、本発明はこれに限定されず、この順序を逆にしてもよい。   In Embodiments 1 and 2, the pixels are driven in the order of the reverse bias mode and the zero bias mode in one frame period. However, the present invention is not limited to this, and the order may be reversed. Good.

110 撮像素子
120 画像処理部
121 画像信号処理部
122 撮像素子制御部
21 画素アレイ部
22 タイミング制御部
23 ローデコーダ
24 カラムADCアレイ部
25 カラムデコーダ
P1 変曲点
D1 画像信号
D2 画像信号
D3 出力画像信号
RST リセットトランジスタ
TX 転送トランジスタ
SEL 行選択トランジスタ
AMP アンプ
DESCRIPTION OF SYMBOLS 110 Image sensor 120 Image processing part 121 Image signal processing part 122 Image sensor control part 21 Pixel array part 22 Timing control part 23 Row decoder 24 Column ADC array part 25 Column decoder P1 Inflection point D1 Image signal D2 Image signal D3 Output image signal RST reset transistor TX transfer transistor SEL row selection transistor AMP amplifier

Claims (7)

リニア特性とログ特性とが変曲点で切り替わるリニアログ特性の光電変換特性を持つ固体撮像装置であって、
受光素子を含む複数の画素により構成された撮像素子と、
前記受光素子を逆バイアス状態でリセットして露光させて前記画素からリニア特性を持つ第1画像信号を出力させる逆バイアスモードと、前記受光素子をゼロバイアス状態にしてリセットして露光させて前記画素からログ特性を持つ第2画像信号を出力させるゼロバイアスモードとが1フレーム期間において切り替えられるように前記画素を駆動する撮像素子制御部と、
前記第1画像信号又は前記第2画像信号のレベルに基づいて、前記第1画像信号と前記第2画像信号とを切り替えて出力する画像信号処理部とを備える固体撮像装置。
A solid-state imaging device having a photoelectric conversion characteristic of a linear log characteristic in which a linear characteristic and a log characteristic are switched at an inflection point,
An image sensor composed of a plurality of pixels including a light receiving element;
A reverse bias mode in which the light receiving element is reset and exposed in a reverse bias state to output a first image signal having a linear characteristic from the pixel, and the light receiving element is reset and exposed in a zero bias state to expose the pixel. An image sensor control unit for driving the pixels so that a zero bias mode for outputting a second image signal having a log characteristic is switched in one frame period;
A solid-state imaging device comprising: an image signal processing unit that switches and outputs the first image signal and the second image signal based on a level of the first image signal or the second image signal.
前記撮像素子制御部は、前記1フレーム期間において、前記逆バイアスモードで前記画素を駆動させた後、前記ゼロバイアスモードで前記画素を駆動させる請求項1記載の固体撮像装置。   The solid-state imaging device according to claim 1, wherein the imaging element control unit drives the pixel in the zero bias mode after driving the pixel in the reverse bias mode in the one frame period. 前記画像信号処理部は、前記第1画像信号のレベルが前記変曲点の画像信号のレベルを示す閾値以下の場合、前記第1画像信号を出力し、前記第1画像信号のレベルが前記閾値より大きい場合、前記第2画像信号を出力する請求項1又は2記載の固体撮像装置。   The image signal processing unit outputs the first image signal when the level of the first image signal is equal to or lower than a threshold value indicating the level of the image signal at the inflection point, and the level of the first image signal is the threshold value 3. The solid-state imaging device according to claim 1, wherein the second image signal is output when the value is larger. 前記画素は、原色カラーフィルタを備える請求項1〜3のいずれかに記載の固体撮像装置。   The solid-state imaging device according to claim 1, wherein the pixel includes a primary color filter. 前記画素は、補色カラーフィルタを備える請求項1〜3のいずれかに記載の固体撮像装置。   The solid-state imaging device according to claim 1, wherein the pixel includes a complementary color filter. 前記受光素子は、表面型のフォトダイオードである請求項1〜5のいずれかに記載の固体撮像装置。   The solid-state imaging device according to claim 1, wherein the light receiving element is a surface type photodiode. 前記受光素子は、埋め込み型のフォトダイオードである請求項1〜5のいずれかに記載の固体撮像装置。   The solid-state imaging device according to claim 1, wherein the light receiving element is an embedded photodiode.
JP2011196875A 2011-09-09 2011-09-09 Solid-state imaging device Pending JP2013058960A (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2011196875A JP2013058960A (en) 2011-09-09 2011-09-09 Solid-state imaging device

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2011196875A JP2013058960A (en) 2011-09-09 2011-09-09 Solid-state imaging device

Publications (1)

Publication Number Publication Date
JP2013058960A true JP2013058960A (en) 2013-03-28

Family

ID=48134433

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2011196875A Pending JP2013058960A (en) 2011-09-09 2011-09-09 Solid-state imaging device

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP2013058960A (en)

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2016092762A2 (en) 2014-12-11 2016-06-16 Sony Corporation Imaging apparatus, drive method, and electronic apparatus
US9413991B2 (en) 2014-04-08 2016-08-09 Samsung Electronics Co., Ltd. Linear-logarithmic image sensors and electronic devices including the same
WO2017022451A1 (en) * 2015-07-31 2017-02-09 ソニーセミコンダクタソリューションズ株式会社 Solid-state imaging device and electronic device

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2002170946A (en) * 2000-12-01 2002-06-14 Honda Motor Co Ltd Optical sensor circuit
JP2004214772A (en) * 2002-12-27 2004-07-29 Sharp Corp Solid-state imaging device
JP2005086630A (en) * 2003-09-10 2005-03-31 Minolta Co Ltd Imaging apparatus

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2002170946A (en) * 2000-12-01 2002-06-14 Honda Motor Co Ltd Optical sensor circuit
JP2004214772A (en) * 2002-12-27 2004-07-29 Sharp Corp Solid-state imaging device
JP2005086630A (en) * 2003-09-10 2005-03-31 Minolta Co Ltd Imaging apparatus

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US9413991B2 (en) 2014-04-08 2016-08-09 Samsung Electronics Co., Ltd. Linear-logarithmic image sensors and electronic devices including the same
WO2016092762A2 (en) 2014-12-11 2016-06-16 Sony Corporation Imaging apparatus, drive method, and electronic apparatus
WO2017022451A1 (en) * 2015-07-31 2017-02-09 ソニーセミコンダクタソリューションズ株式会社 Solid-state imaging device and electronic device
JPWO2017022451A1 (en) * 2015-07-31 2018-05-24 ソニーセミコンダクタソリューションズ株式会社 Solid-state imaging device and electronic apparatus
US10757350B2 (en) 2015-07-31 2020-08-25 Sony Semiconductor Solutions Corporation Solid-state image pickup device and electronic apparatus

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN100477747C (en) Solid-state camera
US8659693B2 (en) Solid-state image pickup element and camera system
CN104471860B (en) Signal processing apparatus and method, image-forming component and imaging device
US7586523B2 (en) Amplification-type CMOS image sensor of wide dynamic range
US8704898B2 (en) A/D converter, solid-state imaging device and camera system
CN101321238B (en) Solid-state image sensing device
JP4723994B2 (en) Solid-state imaging device
JP4609428B2 (en) Solid-state imaging device, driving method of solid-state imaging device, and imaging device
JP5426587B2 (en) Solid-state imaging device and pixel averaging processing method thereof
US8537252B2 (en) Solid-state imaging device and camera system which performs clamp processing
US9635290B2 (en) Solid-state image sensing device and electronic device
KR101497821B1 (en) Solid-state imaging device
JP2012195734A (en) Solid state imaging apparatus, imaging apparatus, electronic apparatus, and solid state imaging apparatus driving method
JP6967173B1 (en) Image sensor and image sensor
US7889247B2 (en) Solid-state imaging device, method of driving solid-state imaging device, and imaging apparatus
CN108605105A (en) Solid-state imaging apparatus and photographic device
WO2017061191A1 (en) Solid-state imaging element, drive method for solid-state imaging element, and electronic device
WO2011083541A1 (en) Solid-state image capture device and image capture device
JP2014099693A (en) Imaging element, imaging apparatus, semiconductor element and read-out method
JP2013058960A (en) Solid-state imaging device
JP5906596B2 (en) Imaging device
WO2013027326A1 (en) Solid-state imaging device
JP2012244379A (en) Solid state image pickup device
JP2010226679A (en) Solid-state imaging device
JP6213596B2 (en) Imaging device

Legal Events

Date Code Title Description
A711 Notification of change in applicant

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A712

Effective date: 20130418

A621 Written request for application examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621

Effective date: 20131218

A977 Report on retrieval

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007

Effective date: 20140805

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20140812

A02 Decision of refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A02

Effective date: 20141217