JP2018011141A - Solid-state imaging device, driving method of solid-state imaging device, and electronic apparatus - Google Patents
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Abstract
【課題】一撮像フレーム中に複数回電荷の読出しを行うに当たって、複数の画素信号の各々を順にアナログ−デジタル変換する場合よりも、蓄積時間(露光時間)を短縮できるようにする。【解決手段】本開示の固体撮像装置は、光電変換部を含む画素が配置されて成る画素アレイ部、一撮像フレーム中に光電変換部から複数回電荷の読出しを行う駆動部、及び、複数回の電荷の読出しに基づく複数の画素信号の各々を並列的にアナログ−デジタル変換するアナログ−デジタル変換部、を備える。【選択図】 図1An object of the present invention is to reduce the accumulation time (exposure time) when reading out charges a plurality of times during one imaging frame, compared to the case where each of a plurality of pixel signals is sequentially converted from analog to digital. A solid-state imaging device according to an embodiment of the present disclosure includes a pixel array unit in which pixels including a photoelectric conversion unit are arranged, a driving unit that reads charges from the photoelectric conversion unit a plurality of times in one imaging frame, and a plurality of times An analog-to-digital conversion unit that performs analog-to-digital conversion on each of the plurality of pixel signals based on reading out the electric charges in parallel. [Selection] Figure 1
Description
本開示は、固体撮像装置、固体撮像装置の駆動方法、及び、電子機器に関する。 The present disclosure relates to a solid-state imaging device, a driving method of the solid-state imaging device, and an electronic apparatus.
固体撮像装置において、光電変換部を含む画素からは、光電変換によって光電変換部に蓄積される電荷量に対してほぼ線形な画素信号が出力される。そして、固体撮像装置のダイナミックレンジは、光電変換部に蓄積できる電荷量(飽和電荷量)とノイズレベルで一義的に決まる。 In the solid-state imaging device, a pixel signal that is substantially linear with respect to the amount of charge accumulated in the photoelectric conversion unit by photoelectric conversion is output from the pixel including the photoelectric conversion unit. The dynamic range of the solid-state imaging device is uniquely determined by the charge amount (saturation charge amount) that can be accumulated in the photoelectric conversion unit and the noise level.
但し、光電変換部に蓄えられる電荷量には限りがあることから、飽和してしまった後に発生する信号電荷を蓄えておくことができない。そのため、例えば高照度の撮影を行う場合に、光電変換部に蓄えられる電荷量を超えてしまうと、その超えた分の電荷量については、画素信号に反映されないことになるため、蓄積時間(露光時間)に対する画素信号のリニアリティを確保することができない。 However, since the amount of charge stored in the photoelectric conversion unit is limited, the signal charge generated after being saturated cannot be stored. For this reason, for example, when photographing at high illuminance, if the amount of charge stored in the photoelectric conversion unit is exceeded, the amount of charge exceeding that amount is not reflected in the pixel signal, so the accumulation time (exposure) The linearity of the pixel signal with respect to time) cannot be ensured.
その解決法として、一撮像フレーム中に光電変換部から複数回電荷の読出しを行い、その複数回の電荷の読出しに基づく複数の画素信号を加算することで、擬似的に光電変換部の飽和信号量の増加を図る手法が採られていた(例えば、特許文献1参照)。 The solution is to read out the charge from the photoelectric conversion unit multiple times during one imaging frame, and add a plurality of pixel signals based on the multiple times of readout of the charge to simulate the saturation signal of the photoelectric conversion unit. A technique for increasing the amount has been employed (see, for example, Patent Document 1).
特許文献1に記載の従来技術では、複数回の電荷の読出しによって時系列で得られる複数の画素信号について、1つのアナログ−デジタル変換部で順にアナログ−デジタル変換を行うことになる。そのため、蓄積時間(露光時間)を、複数の画素信号の全てをアナログ−デジタル変換するのに要する時間、即ち、一撮像フレーム分のアナログ−デジタル変換期間よりも短くすることができない。 In the prior art described in Patent Document 1, analog-to-digital conversion is sequentially performed by one analog-to-digital conversion unit with respect to a plurality of pixel signals obtained in time series by reading out charges a plurality of times. Therefore, the accumulation time (exposure time) cannot be made shorter than the time required for analog-to-digital conversion of all the plurality of pixel signals, that is, the analog-to-digital conversion period for one imaging frame.
そこで、本開示は、一撮像フレーム中に複数回電荷の読出しを行うに当たって、複数の画素信号の各々を順にアナログ−デジタル変換する場合よりも、蓄積時間(露光時間)を短縮できる固体撮像装置、固体撮像装置の駆動方法、及び、電子機器を提供することを目的とする。 In view of this, the present disclosure provides a solid-state imaging device capable of shortening the accumulation time (exposure time), compared with the case of performing analog-digital conversion for each of a plurality of pixel signals in order to read out charges a plurality of times during one imaging frame, It is an object of the present invention to provide a method for driving a solid-state imaging device and an electronic apparatus.
上記の目的を達成するための本開示の固体撮像装置は、
光電変換部を含む画素が配置されて成る画素アレイ部、
一撮像フレーム中に光電変換部から複数回電荷の読出しを行う駆動部、及び、
複数回の電荷の読出しに基づく複数の画素信号の各々を並列的にアナログ−デジタル変換するアナログ−デジタル変換部、
を備える。また、上記の目的を達成するための本開示の電子機器は、上記の構成の固体撮像装置を有する。
In order to achieve the above object, a solid-state imaging device of the present disclosure includes:
A pixel array unit in which pixels including a photoelectric conversion unit are arranged;
A drive unit that reads out charges from the photoelectric conversion unit a plurality of times during one imaging frame; and
An analog-to-digital conversion unit that performs analog-to-digital conversion on each of a plurality of pixel signals based on a plurality of times of charge readout;
Is provided. In addition, an electronic apparatus according to the present disclosure for achieving the above object includes the solid-state imaging device having the above configuration.
上記の目的を達成するための本開示の固体撮像装置の駆動方法は、
光電変換部を含む画素が配置されて成る固体撮像装置の駆動に当たって、
一撮像フレーム中に光電変換部から複数回電荷の読出しを行い、
複数回の電荷の読出しに基づく複数の画素信号の各々を並列的にアナログ−デジタル変換する。
In order to achieve the above object, a method for driving a solid-state imaging device according to the present disclosure includes:
In driving a solid-state imaging device in which pixels including a photoelectric conversion unit are arranged,
Read out the charge multiple times from the photoelectric converter during one imaging frame,
Each of a plurality of pixel signals based on a plurality of charge readouts is analog-to-digital converted in parallel.
本開示によれば、複数回の電荷の読出しに基づく複数の画素信号の各々を並列的にアナログ−デジタル変換することで、複数の画素信号の各々を順にアナログ−デジタル変換する場合よりも、蓄積時間(露光時間)を短縮できる。 According to the present disclosure, each of a plurality of pixel signals based on a plurality of charge readouts is analog-to-digital converted in parallel, thereby storing each of the plurality of pixel signals sequentially than analog-to-digital conversion. Time (exposure time) can be shortened.
尚、ここに記載された効果に必ずしも限定されるものではなく、本明細書中に記載されたいずれかの効果であってもよい。また、本明細書に記載された効果はあくまで例示であって、これに限定されるものではなく、また付加的な効果があってもよい。 The effects described here are not necessarily limited, and any of the effects described in the present specification may be used. Moreover, the effect described in this specification is an illustration to the last, Comprising: It is not limited to this, There may be an additional effect.
以下、本開示の技術を実施するための形態(以下、「実施形態」と記述する)について図面を用いて詳細に説明する。本開示の技術は実施形態に限定されるものではなく、実施形態における種々の数値などは例示である。以下の説明において、同一要素又は同一機能を有する要素には同一符号を用いることとし、重複する説明は省略する。尚、説明は以下の順序で行う。
1.本開示の固体撮像装置、その駆動方法、及び、電子機器、全般に関する説明
2.第1実施形態(1つの画素が1つの光電変換部を有する場合の例)
2−1.システム構成
2−2.シングルスロープ型アナログ−デジタル変換器について
2−3.画素の回路構成
2−4.画素の回路動作
3.第2実施形態(1つの画素が複数の光電変換部を有する場合の例)
4.変形例
5.本開示の電子機器
6.本開示がとることができる構成
Hereinafter, modes for carrying out the technology of the present disclosure (hereinafter referred to as “embodiments”) will be described in detail with reference to the drawings. The technology of the present disclosure is not limited to the embodiments, and various numerical values in the embodiments are examples. In the following description, the same reference numerals are used for the same elements or elements having the same function, and redundant description is omitted. The description will be given in the following order.
1. 1. General description of the solid-state imaging device of the present disclosure, a driving method thereof, and an electronic apparatus First embodiment (an example in which one pixel has one photoelectric conversion unit)
2-1. System configuration 2-2. Single slope type analog-digital converter 2-3. Circuit configuration of pixel 2-4. 2. Circuit operation of the pixel Second Embodiment (Example in which one pixel has a plurality of photoelectric conversion units)
4). Modification 5 5. Electronic device of the present disclosure Configurations that can be taken by the present disclosure
<本開示の固体撮像装置、その駆動方法、及び、電子機器、全般に関する説明>
本開示の固体撮像装置、固体撮像装置の駆動方法、及び、電子機器において、高照度では、光ショットノイズがノイズの主要因となり、これを改善するためには光量を多く取り込むことが重要であり、一撮像フレーム中に光電変換部から複数回電荷の読出しを行うことが有効となる。すなわち、複数回の電荷の読出しに基づく複数の画素信号を加算することで、擬似的に光電変換部の飽和信号量の増加を図ることができる。
<Description of Solid-State Imaging Device of the Present Disclosure, Method for Driving the Same, and Electronic Device>
In the solid-state imaging device, the driving method of the solid-state imaging device, and the electronic apparatus of the present disclosure, light shot noise is a main cause of noise at high illuminance, and in order to improve this, it is important to capture a large amount of light. It is effective to read out charges from the photoelectric conversion unit a plurality of times during one imaging frame. That is, by adding a plurality of pixel signals based on a plurality of charge readouts, it is possible to artificially increase the saturation signal amount of the photoelectric conversion unit.
そして、複数の画素信号の各々を並列的にアナログ−デジタル変換することで、所期の目的、即ち、蓄積時間(露光時間)の短縮化を実現できる。ここで、「並列的に」とは、同時に並列に処理を行う場合、及び、時間がずれて並列に処理を行う場合を言う。前者の処理の場合には、並列に処理する時間の全体がオーバーラップすることになり、後者の処理の場合には、並列に処理する時間の一部がオーバーラップすることになる。 Then, by performing analog-digital conversion on each of the plurality of pixel signals in parallel, the intended purpose, that is, shortening of the accumulation time (exposure time) can be realized. Here, “in parallel” means a case where processing is performed in parallel at the same time, and a case where processing is performed in parallel with a time lag. In the case of the former process, the entire time for processing in parallel will overlap, and in the case of the latter process, a part of the time for processing in parallel will overlap.
上述した好ましい構成を含む本開示の固体撮像装置、その駆動方法、及び、電子機器にあっては、画素について、複数の画素信号に対応した複数の選択トランジスタを有する構成とすることができる。このとき、複数の選択トランジスタについて、複数の画素信号を並列的に選択して、対応する垂直信号線を通してアナログ−デジタル変換部に供給する構成とすることができる。 In the solid-state imaging device of the present disclosure including the preferable configuration described above, the driving method thereof, and the electronic device, the pixel may have a plurality of selection transistors corresponding to a plurality of pixel signals. At this time, for a plurality of selection transistors, a plurality of pixel signals can be selected in parallel and supplied to the analog-digital conversion unit through corresponding vertical signal lines.
更に、上述した好ましい構成を含む本開示の固体撮像装置、その駆動方法、及び、電子機器にあっては、垂直信号線について、画素信号を画素列毎に第1の方向に伝送する第1の信号線群、及び、画素信号を画素列毎に第1の方向と反対方向の第2の方向に伝送する第2の信号線群から成る構成とすることができる。また、アナログ−デジタル変換部について、画素列毎に設けられ、第1の信号線群によって伝送される画素信号をアナログ−デジタル変換するアナログ−デジタル変換器の集合、及び、画素列毎に設けられ、第2の信号線群によって伝送される画素信号をアナログ−デジタル変換するアナログ−デジタル変換器の集合から成る構成とすることができる。 Furthermore, in the solid-state imaging device of the present disclosure including the above-described preferable configuration, the driving method thereof, and the electronic apparatus, the first signal that transmits the pixel signal in the first direction for each pixel column with respect to the vertical signal line. A signal line group and a second signal line group that transmits pixel signals in a second direction opposite to the first direction for each pixel column can be employed. The analog-digital conversion unit is provided for each pixel column, and is provided for each pixel column and a set of analog-digital converters that perform analog-digital conversion on pixel signals transmitted by the first signal line group. The pixel signal transmitted by the second signal line group can be constituted by a set of analog-digital converters that perform analog-digital conversion.
更に、上述した好ましい構成を含む本開示の固体撮像装置、その駆動方法、及び、電子機器にあっては、アナログ−デジタル変換器について、傾斜状の波形の参照電圧を生成する参照電圧生成部、比較器、及び、カウント部を有する構成とすることができる。比較器は、画素から垂直信号線を通して供給される画素信号と、傾斜状の波形の参照電圧とを比較し、画素信号のレベルに対応したパルス幅のパルス信号を出力する。カウント部は、比較器の比較動作の開始から終了までの比較期間において所定のクロックに同期してカウント動作を行う。そして、カウント部のカウント値をアナログ−デジタル変換後のデジタル値とする。 Furthermore, in the solid-state imaging device of the present disclosure including the above-described preferable configuration, the driving method thereof, and the electronic apparatus, a reference voltage generation unit that generates a reference voltage having an inclined waveform for the analog-digital converter, It can be set as the structure which has a comparator and a count part. The comparator compares the pixel signal supplied from the pixel through the vertical signal line with the reference voltage having an inclined waveform, and outputs a pulse signal having a pulse width corresponding to the level of the pixel signal. The count unit performs a count operation in synchronization with a predetermined clock in a comparison period from the start to the end of the comparison operation of the comparator. And let the count value of a count part be the digital value after analog-digital conversion.
更に、上述した好ましい構成を含む本開示の固体撮像装置、その駆動方法、及び、電子機器にあっては、ユーザの選択に応じて、複数回の電荷の読出しに基づく複数の画素信号について、複数の選択トランジスタを通して時系列で読み出すモードと、複数の選択トランジスタを通して同時に読み出すモードとを設定可能な構成とすることができる。 Furthermore, in the solid-state imaging device of the present disclosure including the above-described preferable configuration, the driving method thereof, and the electronic apparatus, a plurality of pixel signals based on a plurality of times of charge readout are selected according to the user's selection. It is possible to set a configuration in which a mode for reading out in time series through the selection transistors and a mode for reading out simultaneously through a plurality of selection transistors can be set.
更に、上述した好ましい構成を含む本開示の固体撮像装置、その駆動方法、及び、電子機器にあっては、複数の画素信号に基づいて、アナログ−デジタル変換部から出力される複数のデジタルデータを記憶するメモリ部を備える構成とすることができる。複数のデジタルデータについては、メモリ部で加算処理することが好ましい。 Further, in the solid-state imaging device of the present disclosure including the above-described preferred configuration, the driving method thereof, and the electronic apparatus, a plurality of digital data output from the analog-digital conversion unit is obtained based on the plurality of pixel signals. It can be set as the structure provided with the memory part to memorize | store. The plurality of digital data is preferably added in the memory unit.
また、上述した好ましい構成を含む本開示の固体撮像装置、その駆動方法、及び、電子機器にあっては、1つの画素内に複数の光電変換部を有する構成とすることができる。複数の光電変換部については、被写体像の位相差を利用して被写体との距離を測定する位相差検出に用いることが好ましい。 Moreover, in the solid-state imaging device of the present disclosure including the preferable configuration described above, the driving method thereof, and the electronic apparatus, a configuration in which a plurality of photoelectric conversion units are included in one pixel can be employed. The plurality of photoelectric conversion units are preferably used for phase difference detection in which the distance from the subject is measured using the phase difference of the subject image.
あるいは又、上述した好ましい構成を含む本開示の固体撮像装置、その駆動方法、及び、電子機器にあっては、画素アレイ部とアナログ−デジタル変換部とはそれぞれ、互いに積層された、異なる半導体基板に搭載されている構成とすることができる。 Alternatively, in the solid-state imaging device of the present disclosure including the above-described preferable configuration, the driving method thereof, and the electronic apparatus, the pixel array unit and the analog-digital conversion unit are respectively stacked on different semiconductor substrates. It can be set as the structure mounted in.
<第1実施形態>
本開示の第1実施形態は、1つの画素が1つの光電変換部を有する場合の例である。第1実施形態に係る固体撮像装置のシステム構成図を図1に示す。第1実施形態では、固体撮像装置として、例えばX−Yアドレス方式固体撮像装置の一種であるCMOSイメージセンサを例示している。
<First Embodiment>
1st Embodiment of this indication is an example in case one pixel has one photoelectric conversion part. FIG. 1 shows a system configuration diagram of the solid-state imaging device according to the first embodiment. In the first embodiment, as the solid-state imaging device, for example, a CMOS image sensor which is a kind of XY address type solid-state imaging device is illustrated.
[システム構成]
第1実施形態に係る固体撮像装置10は、半導体基板(半導体チップ)11上に形成された画素アレイ部12と、当該画素アレイ部12と同じ半導体基板11上に集積された周辺回路部とを有する構成となっている。周辺回路部は、垂直駆動部13、アナログ−デジタル変換(以下、「AD変換」と記述する)部14,15、カラム処理部16,17、メモリ部18、及び、システム制御部19等から構成されている。
[System configuration]
The solid-state imaging device 10 according to the first embodiment includes a pixel array unit 12 formed on a semiconductor substrate (semiconductor chip) 11 and a peripheral circuit unit integrated on the same semiconductor substrate 11 as the pixel array unit 12. It is the composition which has. The peripheral circuit unit includes a vertical drive unit 13, analog-digital conversion (hereinafter referred to as “AD conversion”) units 14 and 15, column processing units 16 and 17, a memory unit 18, a system control unit 19 and the like. Has been.
画素アレイ部12は、光電変換を行うことで、受光した光量に応じた光電荷を生成しかつ蓄積する光電変換部を含む画素20が行方向及び列方向に、即ち、行列状に2次元配置された構成となっている。ここで、行方向とは、画素行の画素の配列方向(即ち、水平方向)を言い、列方向とは、画素列の画素の配列方向(即ち、垂直方向)を言う。画素20の具体的な回路構成や画素構造の詳細については後述する。 The pixel array unit 12 performs photoelectric conversion so that the pixels 20 including the photoelectric conversion unit that generates and accumulates photoelectric charges according to the received light amount are two-dimensionally arranged in the row direction and the column direction, that is, in a matrix form. It has been configured. Here, the row direction refers to the arrangement direction of pixels in the pixel row (that is, the horizontal direction), and the column direction refers to the arrangement direction of pixels in the pixel column (that is, the vertical direction). Details of the specific circuit configuration and pixel structure of the pixel 20 will be described later.
画素アレイ部12において、行列状の画素配列に対して、画素行毎に画素駆動線(図示せず)が行方向に沿って配線され、画素列毎に例えば2本の垂直信号線31,32が列方向に沿って配線されている。画素駆動線は、画素20から信号を読み出す際の駆動を行うための、後述する駆動信号を伝送する。画素駆動線の一端は、垂直駆動部13の各行に対応した出力端に接続されている。 In the pixel array unit 12, pixel drive lines (not shown) are wired in the row direction for each pixel row with respect to the matrix-like pixel arrangement, and, for example, two vertical signal lines 31 and 32 are provided for each pixel column. Are wired along the column direction. The pixel drive line transmits a drive signal, which will be described later, for performing drive when reading a signal from the pixel 20. One end of the pixel drive line is connected to an output end corresponding to each row of the vertical drive unit 13.
垂直駆動部13は、シフトレジスタやアドレスデコーダなどによって構成され、画素アレイ部12の各画素20を全画素同時あるいは行単位等で駆動する。すなわち、垂直駆動部13は、当該垂直駆動部13を制御するシステム制御部19と共に、画素アレイ部12の各画素20を駆動する駆動部を構成している。この垂直駆動部13はその具体的な構成については図示を省略するが、一般的に、読出し走査系と掃出し走査系の2つの走査系を有する構成となっている。 The vertical drive unit 13 is configured by a shift register, an address decoder, and the like, and drives each pixel 20 of the pixel array unit 12 at the same time or in units of rows. That is, the vertical drive unit 13 constitutes a drive unit that drives each pixel 20 of the pixel array unit 12 together with the system control unit 19 that controls the vertical drive unit 13. Although the vertical drive unit 13 is not shown in detail with respect to its specific configuration, the vertical drive unit 13 generally has two scanning systems, a reading scanning system and a sweeping scanning system.
読出し走査系は、画素20から信号を読み出すために、画素アレイ部12の画素20を行単位で順に選択走査する。画素20から読み出される信号はアナログ信号である。掃出し走査系は、読出し走査系によって読出し走査が行われる読出し行に対し、その読出し走査よりもシャッタスピードの時間分だけ先行して掃出し走査を行う。 In order to read out signals from the pixels 20, the readout scanning system selectively scans the pixels 20 in the pixel array unit 12 in units of rows. A signal read from the pixel 20 is an analog signal. The sweep-out scanning system performs sweep-out scanning on the readout line on which readout scanning is performed by the readout scanning system prior to the readout scanning by the time corresponding to the shutter speed.
この掃出し走査系による掃出し走査により、読出し行の画素20の光電変換部から不要な電荷が掃き出されることによって当該光電変換部がリセットされる。そして、この掃出し走査系による不要電荷の掃き出す(リセットする)ことにより、所謂、電子シャッタ動作が行われる。ここで、電子シャッタ動作とは、光電変換部の光電荷を捨てて、新たに露光を開始する(光電荷の蓄積を開始する)動作のことを言う。 By the sweep scanning by the sweep scanning system, unnecessary charges are swept out from the photoelectric conversion unit of the pixel 20 in the readout row, thereby resetting the photoelectric conversion unit. A so-called electronic shutter operation is performed by sweeping (resetting) unnecessary charges by the sweep scanning system. Here, the electronic shutter operation refers to an operation in which the photoelectric charge of the photoelectric conversion unit is discarded and exposure is newly started (photocharge accumulation is started).
読出し走査系による読出し動作によって読み出される信号は、その直前の読出し動作又は電子シャッタ動作以降に受光した光量に対応するものである。そして、直前の読出し動作による読出しタイミング又は電子シャッタ動作による掃出しタイミングから、今回の読出し動作による読出しタイミングまでの期間が、単位画素における光電荷の露光期間となる。 The signal read by the read operation by the read scanning system corresponds to the amount of light received after the immediately preceding read operation or electronic shutter operation. The period from the read timing by the previous read operation or the sweep timing by the electronic shutter operation to the read timing by the current read operation is the exposure period of the photocharge in the unit pixel.
垂直駆動部13によって選択された画素行の各画素20から出力される画素信号は、2系統の垂直信号線31,32を通してAD変換部14,15に入力される。ここで、一方の系統の垂直信号線31は、選択行の各画素20から出力される画素信号を、画素列毎に第1の方向(画素列方向における一方側/図の上方向)に伝送する信号線群(第1の信号線群)から成る。他方の系統の垂直信号線32は、選択行の各画素20から出力される画素信号を、第1の方向と反対方向の第2の方向(画素列方向における他方側/図の下方向)に伝送する信号線群(第2の信号線群)から成る。 Pixel signals output from each pixel 20 in the pixel row selected by the vertical drive unit 13 are input to the AD conversion units 14 and 15 through the two systems of vertical signal lines 31 and 32. Here, the vertical signal line 31 of one system transmits the pixel signal output from each pixel 20 of the selected row in the first direction (one side in the pixel column direction / upward direction in the figure) for each pixel column. Signal line group (first signal line group). The vertical signal line 32 of the other system directs the pixel signal output from each pixel 20 in the selected row in a second direction opposite to the first direction (the other side in the pixel column direction / downward in the figure). It consists of a signal line group (second signal line group) for transmission.
AD変換部14,15はそれぞれ、画素列毎に設けられたAD変換器141,151の集合(AD変換器群)から成り、画素列方向において画素アレイ部12を挟んで設けられており、2系統の垂直信号線31,32によって伝送される画素信号をAD変換する。すなわち、AD変換部14は、画素列毎に垂直信号線31によって第1の方向に伝送され、入力される画素信号をAD変換するAD変換器141の集合から成る。AD変換部15は、画素列毎に垂直信号線32によって第2の方向に伝送され、入力される画素信号をAD変換するAD変換器151の集合から成る。 Each of the AD conversion units 14 and 15 includes a set (AD converter group) of AD converters 141 and 151 provided for each pixel column, and is provided with the pixel array unit 12 interposed therebetween in the pixel column direction. A pixel signal transmitted through the vertical signal lines 31 and 32 of the system is AD converted. That is, the AD conversion unit 14 includes a set of AD converters 141 that are transmitted in the first direction by the vertical signal line 31 for each pixel column and perform AD conversion on input pixel signals. The AD conversion unit 15 includes a set of AD converters 151 that are transmitted in the second direction by the vertical signal line 32 for each pixel column and perform AD conversion on input pixel signals.
AD変換部14,15でAD変換後の画素データ(デジタルデータ)は、カラム処理部16,17を介してメモリ部18に供給される。メモリ部18は、カラム処理部16を経た画素データと、カラム処理部17を経た画素データとを一時的に記憶する。また、メモリ部18では、カラム処理部16を経た画素データと、カラム処理部17を経た画素データとを加算する処理も行われる。 Pixel data (digital data) after AD conversion by the AD conversion units 14 and 15 is supplied to the memory unit 18 via the column processing units 16 and 17. The memory unit 18 temporarily stores pixel data that has passed through the column processing unit 16 and pixel data that has passed through the column processing unit 17. Further, the memory unit 18 also performs a process of adding the pixel data that has passed through the column processing unit 16 and the pixel data that has passed through the column processing unit 17.
システム制御部19は、各種のタイミング信号を生成するタイミングジェネレータなどによって構成され、当該タイミングジェネレータで生成された各種のタイミングを基に、垂直駆動部13、AD変換部14,15、及び、カラム処理部16,17などの駆動制御を行う。システム制御部19は更に、ユーザによる操作の下に、外部から入力されるモード選択信号に応じて、垂直駆動部13の動作モードの切替え制御を行う。 The system control unit 19 includes a timing generator that generates various timing signals, and based on the various timings generated by the timing generator, the vertical drive unit 13, the AD conversion units 14 and 15, and column processing Drive control of the units 16 and 17 is performed. The system control unit 19 further performs switching control of the operation mode of the vertical drive unit 13 in accordance with a mode selection signal input from the outside under the operation of the user.
メモリ部18から読み出された画素データは、半導体基板11外に設けられた信号処理部51で所定の信号処理が行われた後、インターフェース52を介して出力される。信号処理部51では、例えば、一撮像フレームにおける画素データの合計や平均を求める処理が行われる。 The pixel data read from the memory unit 18 is output through the interface 52 after predetermined signal processing is performed by the signal processing unit 51 provided outside the semiconductor substrate 11. In the signal processing unit 51, for example, processing for obtaining the sum and average of pixel data in one imaging frame is performed.
1つの画素列と2並列構成のAD変換器141,151との接続関係を図2に示す。垂直信号線31の一端には、一方の系統のAD変換器141及び電流源41が接続されている。そして、画素20から出力される画素信号は、垂直信号線31によって第1の方向(図の上方向)に伝送され、AD変換器141に入力される。また、垂直信号線32の一端には、他方の系統のAD変換器151及び電流源42が接続されている。そして、画素20から出力される画素信号は、垂直信号線32によって第2の方向(図の下方向)に伝送され、AD変換器151に入力される。 FIG. 2 shows a connection relationship between one pixel column and AD converters 141 and 151 having two parallel configurations. One end of the vertical signal line 31 is connected to an AD converter 141 and a current source 41 of one system. Then, the pixel signal output from the pixel 20 is transmitted in the first direction (upward in the figure) by the vertical signal line 31 and input to the AD converter 141. Further, the AD converter 151 and the current source 42 of the other system are connected to one end of the vertical signal line 32. The pixel signal output from the pixel 20 is transmitted in the second direction (downward in the figure) by the vertical signal line 32 and input to the AD converter 151.
AD変換器141,151としては、周知のAD変換器を用いることができる。周知のAD変換器として、シングルスロープ型AD変換部、逐次比較型AD変換部、又は、デルタ−シグマ変調型(ΔΣ変調型)AD変換部を例示することができる。但し、AD変換器141,151は、これらに限定されるものではない。本実施形態では、AD変換器141,151として、シングルスロープ型AD変換器を用いている。 As the AD converters 141 and 151, known AD converters can be used. As a known AD converter, a single slope AD converter, a successive approximation AD converter, or a delta-sigma modulation (ΔΣ modulation) AD converter can be exemplified. However, the AD converters 141 and 151 are not limited to these. In the present embodiment, single slope AD converters are used as the AD converters 141 and 151.
[シングルスロープ型AD変換器について]
シングルスロープ型AD変換器の構成の一例を図3に示す。ここでは、AD変換器141について、シングルスロープ型AD変換器141として説明するが、AD変換器151もAD変換器141と同じである。
[About single slope AD converter]
An example of the configuration of the single slope AD converter is shown in FIG. Here, the AD converter 141 will be described as a single slope AD converter 141, but the AD converter 151 is the same as the AD converter 141.
シングルスロープ型AD変換器141は、参照電圧生成部1411を備えている。参照電圧生成部1411は、時間が経過するにつれて電圧値が階段状に変化する傾斜状の波形である、所謂、ランプ(RAMP)波形の参照電圧Vrefを、AD変換に用いる基準信号として生成する。参照電圧生成部1411については、例えば、DAC(デジタル−アナログ変換)回路を用いて構成することができる。尚、参照電圧生成部1411としては、DAC回路を用いた構成のものに限られるものではない。 The single slope AD converter 141 includes a reference voltage generation unit 1411. The reference voltage generation unit 1411 generates a so-called ramp (RAMP) waveform reference voltage V ref , which is a ramp waveform whose voltage value changes stepwise as time passes, as a reference signal used for AD conversion. . The reference voltage generation unit 1411 can be configured using, for example, a DAC (digital-analog conversion) circuit. The reference voltage generation unit 1411 is not limited to a configuration using a DAC circuit.
シングルスロープ型AD変換器141は、参照電圧生成部1411の他に、比較器(コンパレータ)1412、及び、カウント部である例えばアップ/ダウンカウンタ(図中、「U/D CNT」と記載している)1413を備えている。比較器1412は、画素20から出力される画素信号に応じた垂直信号線31の信号電圧Voutを比較入力とし、参照電圧生成部1411で生成されるランプ波(傾斜状の波形)の参照電圧Vrefを基準入力とし、両者を比較する。 In addition to the reference voltage generation unit 1411, the single slope AD converter 141 includes a comparator (comparator) 1412 and a count unit, for example, an up / down counter (in the figure, “U / D CNT” is described. 1413). The comparator 1412 receives the signal voltage Vout of the vertical signal line 31 corresponding to the pixel signal output from the pixel 20 as a comparison input, and the reference voltage of the ramp wave (gradient waveform) generated by the reference voltage generation unit 1411. Vref is used as a reference input, and both are compared.
そして、比較器1412は、例えば、参照電圧Vrefが信号電圧Voutよりも大きいときに出力Vcoが第1の状態(例えば、高レベル)になり、参照電圧Vrefが信号電圧Vout以下のときに出力Vcoが第2の状態(例えば、低レベル)になる。これにより、比較器1412の出力信号は、画素信号のレベルの大きさに対応したパルス幅を持つパルス信号となる。 Then, the comparator 1412 may, for example, the output V co when the reference voltage V ref is greater than the signal voltage V out is the first state (e.g., high level) becomes the reference voltage V ref is less signal voltage V out At this time, the output V co is in the second state (for example, low level). Thereby, the output signal of the comparator 1412 becomes a pulse signal having a pulse width corresponding to the level of the pixel signal.
アップ/ダウンカウンタ1413には、システム制御部19による制御の下に、比較器1412に対する参照電圧Vrefの供給開始タイミングと同じタイミングで所定のクロックCKが与えられる。アップ/ダウンカウンタ1413は、所定のクロックCKに同期してダウン(DOWN)カウント、又は、アップ(UP)カウントを行うことで、比較器1412の出力パルスのパルス幅の期間、即ち、比較器1412での比較動作の開始から比較動作の終了までの比較期間を計測する。このアップ/ダウンカウンタ1413のカウント結果(カウント値)が、アナログの画素信号をデジタル化したデジタル値となる。 The up / down counter 1413 is given a predetermined clock CK at the same timing as the supply start timing of the reference voltage V ref to the comparator 1412 under the control of the system control unit 19. The up / down counter 1413 counts down (DOWN) or counts up (UP) in synchronization with a predetermined clock CK, so that the period of the pulse width of the output pulse of the comparator 1412, that is, the comparator 1412. A comparison period from the start of the comparison operation to the end of the comparison operation is measured. The count result (count value) of the up / down counter 1413 becomes a digital value obtained by digitizing an analog pixel signal.
固体撮像装置10では、一般的に、画素20のリセット動作時のノイズを除去するために、相関二重サンプリング(Correlated Double Sampling:CDS)によるノイズ除去処理が行わる。画素20からは、例えば、リセットレベルVrst及び信号レベルVsigの順に読み出される。リセットレベルVrstは、画素20のフローティングディフュージョンFD(図5参照)をリセットしたときのフローティングディフュージョンFDの電位に相当する。信号レベルVsigは、フォトダイオードPDに蓄積された電荷をフローティングディフュージョンFDへ転送したときのフローティングディフュージョンFDの電位に相当する。 In the solid-state imaging device 10, generally, noise removal processing by correlated double sampling (CDS) is performed in order to remove noise during the reset operation of the pixels 20. For example, the reset level V rst and the signal level V sig are read from the pixel 20 in this order. The reset level V rst corresponds to the potential of the floating diffusion FD when the floating diffusion FD (see FIG. 5) of the pixel 20 is reset. The signal level V sig corresponds to the potential of the floating diffusion FD when the charge accumulated in the photodiode PD is transferred to the floating diffusion FD.
リセットレベルVrstを先に読み出す読み出し方式においては、リセットしたときに発生するランダムノイズはフローティングディフュージョンFDで保持されているため、信号電荷を加えて読み出された信号レベルVsigには、リセットレベルVrstと同じノイズ量が保持されている。このため、信号レベルVsigからリセットレベルVrstを減算する相関二重サンプリング動作を行うことにより、これらのノイズを除去した信号を得ることが可能となる。 In the readout method in which the reset level V rst is read first, random noise generated when resetting is held in the floating diffusion FD. Therefore , the signal level V sig read by adding a signal charge includes a reset level. The same amount of noise as V rst is retained. For this reason, it is possible to obtain a signal from which these noises are removed by performing a correlated double sampling operation in which the reset level V rst is subtracted from the signal level V sig .
この相関二重サンプリング処理を、シングルスロープ型AD変換器141において、AD変換の際に並行して行うことができる。具体的には、シングルスロープ型AD変換器141では、比較器1412での比較動作の開始から比較動作の終了までの比較期間の計測動作の際に、アップ/ダウンカウンタ1413は、例えば、リセットレベルVrstに対してはダウンカウントを行い、信号レベルVsigに対してはアップカウントを行う。このダウンカウント/アップカウントの動作により、信号レベルVsigとリセットレベルVrstとの差分をとることができる。その結果、AD変換器1412によるAD変換の際に、相関二重サンプリングによるノイズ除去処理を行うことができる。図4に、シングルスロープ型AD変換器141の相関二重サンプリング処理を伴う動作説明に供するタイミング波形図を示す。 This correlated double sampling processing can be performed in parallel at the time of AD conversion in the single slope AD converter 141. Specifically, in the single slope AD converter 141, the up / down counter 1413 is, for example, a reset level during the measurement operation in the comparison period from the start of the comparison operation in the comparator 1412 to the end of the comparison operation. A down-count is performed for V rst and an up-count is performed for the signal level V sig . By this down count / up count operation, the difference between the signal level V sig and the reset level V rst can be obtained. As a result, noise removal processing by correlated double sampling can be performed during AD conversion by the AD converter 1412. FIG. 4 is a timing waveform diagram for explaining the operation of the single slope AD converter 141 with correlated double sampling processing.
[画素の回路構成]
第1実施形態に係る固体撮像装置10における画素20の回路構成の一例を図5に示す。画素20は、光電変換部として、フォトダイオードPDを有する。画素20は、フォトダイオードPDに加えて、転送トランジスタ21、リセットトランジスタ22、増幅トランジスタ23、及び、例えば2つの選択トランジスタ241,242を有する構成となっている。
[Pixel circuit configuration]
An example of the circuit configuration of the pixel 20 in the solid-state imaging device 10 according to the first embodiment is shown in FIG. The pixel 20 includes a photodiode PD as a photoelectric conversion unit. The pixel 20 includes a transfer transistor 21, a reset transistor 22, an amplification transistor 23, and, for example, two selection transistors 24 1 and 24 2 in addition to the photodiode PD.
尚、本例では、転送トランジスタ21、リセットトランジスタ22、増幅トランジスタ23、及び、選択トランジスタ24(241,242)として、例えばN型MOSFETを用いている。但し、ここで例示したトランジスタ21〜24の導電型の組み合わせは一例に過ぎず、これらの導電型の組み合わせに限られるものではない。 In this example, for example, N-type MOSFETs are used as the transfer transistor 21, the reset transistor 22, the amplification transistor 23, and the selection transistor 24 (24 1 , 24 2 ). However, the combination of the conductivity types of the transistors 21 to 24 illustrated here is only an example, and the combination of these conductivity types is not limited.
フォトダイオードPDは、アノード電極が低電位側電源(例えば、グランド)に接続されており、受光した光をその光量に応じた電荷量の光電荷(ここでは、光電子)に光電変換してその光電荷を蓄積する。フォトダイオードPDのカソード電極は、転送トランジスタ21を介して増幅トランジスタ23のゲート電極と電気的に接続されている。ここで、増幅トランジスタ23のゲート電極が電気的に繋がった領域は、フローティングディフュージョン(浮遊拡散領域/不純物拡散領域)FDである。フローティングディフュージョンFDは、電荷を電圧に変換する電荷電圧変換部である。 The photodiode PD has an anode electrode connected to a low-potential-side power source (for example, ground), and photoelectrically converts received light into photocharge (here, photoelectrons) having a charge amount corresponding to the amount of light. Accumulate charge. The cathode electrode of the photodiode PD is electrically connected to the gate electrode of the amplification transistor 23 through the transfer transistor 21. Here, the region where the gate electrode of the amplification transistor 23 is electrically connected is a floating diffusion (floating diffusion region / impurity diffusion region) FD. The floating diffusion FD is a charge-voltage conversion unit that converts charge into voltage.
転送トランジスタ21のゲート電極には、高レベル(例えば、VDDレベル)がアクティブとなる転送信号TRGが垂直駆動部13から与えられる。転送トランジスタ21は、転送信号TRGに応答して導通状態となることで、フォトダイオードPDで光電変換され、当該フォトダイオードPDに蓄積された光電荷をフローティングディフュージョンFDに転送する。 A transfer signal TRG that activates a high level (for example, V DD level) is supplied from the vertical drive unit 13 to the gate electrode of the transfer transistor 21. When the transfer transistor 21 becomes conductive in response to the transfer signal TRG, it is photoelectrically converted by the photodiode PD and transfers the photoelectric charge accumulated in the photodiode PD to the floating diffusion FD.
リセットトランジスタ22は、高電位側電源VDDとフローティングディフュージョンFDとの間に接続されている。リセットトランジスタ22のゲート電極には、高レベルがアクティブとなるリセット信号RSTが垂直駆動部13から与えられる。リセットトランジスタ22は、リセット信号RSTに応答して導通状態となることで、フローティングディフュージョンFDの電荷を電源VDDのノードに捨てる。これにより、フローティングディフュージョンFDをリセットするリセット動作が行われる。 The reset transistor 22 is connected between the high potential side power source V DD and the floating diffusion FD. A reset signal RST that activates a high level is supplied from the vertical drive unit 13 to the gate electrode of the reset transistor 22. The reset transistor 22 becomes conductive in response to the reset signal RST, thereby discarding the charge of the floating diffusion FD to the node of the power supply V DD . Thereby, a reset operation for resetting the floating diffusion FD is performed.
増幅トランジスタ23は、ゲート電極がフローティングディフュージョンFDに、ドレイン電極が高電位側電源VDDにそれぞれ接続されている。増幅トランジスタ23は、フォトダイオードPDで光電変換された電荷を、フローティングディフュージョンFDで電圧に変換して得られる画素信号を読み出すソースフォロワの入力部となる。すなわち、増幅トランジスタ23は、ソース電極が選択トランジスタ241,242を介して垂直信号線31,32に接続されている。そして、増幅トランジスタ23と、垂直信号線31,32の各一端に接続されている電流源41,42とは、フローティングディフュージョンFDの電圧を垂直信号線31,32の電位に変換するソースフォロワを構成している。 The amplification transistor 23 has a gate electrode connected to the floating diffusion FD and a drain electrode connected to the high potential side power source VDD . The amplification transistor 23 serves as an input part of a source follower that reads out a pixel signal obtained by converting the electric charge photoelectrically converted by the photodiode PD into a voltage by the floating diffusion FD. That is, the source electrode of the amplification transistor 23 is connected to the vertical signal lines 31 and 32 via the selection transistors 24 1 and 24 2 . The amplification transistor 23 and the current sources 41 and 42 connected to the respective one ends of the vertical signal lines 31 and 32 constitute a source follower that converts the voltage of the floating diffusion FD into the potential of the vertical signal lines 31 and 32. doing.
選択トランジスタ241は、例えば、ドレイン電極が増幅トランジスタ23のソース電極に接続され、ソース電極が垂直信号線31に接続されている。選択トランジスタ241のゲート電極には、高レベルがアクティブとなる選択信号SEL1が垂直駆動部13から与えられる。選択トランジスタ241は、選択信号SEL1に応答して導通状態となることで、画素20を選択状態として増幅トランジスタ23から出力される画素信号を垂直信号線31に伝達する。 In the selection transistor 24 1 , for example, the drain electrode is connected to the source electrode of the amplification transistor 23, and the source electrode is connected to the vertical signal line 31. A selection signal SEL1 that activates a high level is supplied from the vertical drive unit 13 to the gate electrode of the selection transistor 24 1 . The selection transistor 24 1 is turned on in response to the selection signal SEL 1, thereby transmitting the pixel signal output from the amplification transistor 23 to the vertical signal line 31 with the pixel 20 selected.
選択トランジスタ242は、例えば、ドレイン電極が増幅トランジスタ23のソース電極に接続され、ソース電極が垂直信号線32に接続されている。選択トランジスタ242のゲート電極には、高レベルがアクティブとなる選択信号SEL2が垂直駆動部13から与えられる。選択トランジスタ242は、選択信号SEL2に応答して導通状態となることで、画素20を選択状態として増幅トランジスタ23から出力される画素信号を垂直信号線32に伝達する。 In the selection transistor 24 2 , for example, the drain electrode is connected to the source electrode of the amplification transistor 23, and the source electrode is connected to the vertical signal line 32. A selection signal SEL < b > 2 whose high level is active is supplied from the vertical drive unit 13 to the gate electrode of the selection transistor 242. The selection transistor 24 2 is turned on in response to the selection signal SEL 2, thereby transmitting the pixel signal output from the amplification transistor 23 to the vertical signal line 32 with the pixel 20 selected.
上記の構成の第1実施形態に係る固体撮像装置10は、一撮像フレーム中にフォトダイオードPDから複数回電荷の読出しを行い、その複数回の電荷の読出しに基づく複数の画素信号を加算することを特徴としている。この電荷の複数回読出しにより、擬似的にフォトダイオードPDの飽和信号量を増加することができるため、ダイナミックレンジの拡大を図ることができる。また、高照度では、光量を多く取り込むことができることによって光ショットノイズを改善できる。 The solid-state imaging device 10 according to the first embodiment having the above configuration reads out charges from the photodiode PD a plurality of times during one imaging frame, and adds a plurality of pixel signals based on the plurality of times of reading out the charges. It is characterized by. Since the amount of saturation signal of the photodiode PD can be increased in a pseudo manner by reading out the charges a plurality of times, the dynamic range can be expanded. In addition, at high illuminance, light shot noise can be improved by capturing a large amount of light.
第1実施形態に係る固体撮像装置10は更に、複数回の電荷の読出しに基づく複数の画素信号の各々を並列的にAD変換することを特徴としている。この並列的なAD変換処理により、複数の画素信号の各々を順にAD変換処理する場合には、一撮像フレーム分のAD変換期間よりも短くすることができなかった露光時間(蓄積時間)を短縮することができ、1垂直走査期間内で蓄積時間を任意に設定可能となる。 The solid-state imaging device 10 according to the first embodiment is further characterized in that each of a plurality of pixel signals based on a plurality of charge readouts is AD-converted in parallel. With this parallel AD conversion processing, when AD conversion processing is performed on each of a plurality of pixel signals in order, the exposure time (accumulation time) that could not be shorter than the AD conversion period for one imaging frame is shortened. The accumulation time can be arbitrarily set within one vertical scanning period.
その結果、第1実施形態に係る固体撮像装置10によれば、ダイナミックレンジを拡大できることによって、高照度の撮影に対応することができる。また、露光時間を短縮できることによって、例えば動画を撮影する際の画像のブレの発生を抑えることができる。ダイナミックレンジを拡大でき、かつ、露光時間を短縮できる点について、以下に、より具体的に説明する。 As a result, according to the solid-state imaging device 10 according to the first embodiment, the dynamic range can be expanded, so that it is possible to cope with shooting with high illuminance. In addition, since the exposure time can be shortened, for example, occurrence of image blurring when a moving image is taken can be suppressed. The point that the dynamic range can be expanded and the exposure time can be shortened will be described more specifically below.
本実施形態に係る固体撮像装置10では、システム制御部19による制御の下に、垂直駆動部13は、一撮像フレーム中にフォトダイオードPDから、例えば2回電荷の読出し駆動を行う。一撮像フレーム中にフォトダイオードPDから2回電荷の読出しを行う場合のシャッタ(Shutter)動作、読出し(Read)動作、電荷の蓄積状態、及び、加算処理について図6に模式的に示す。因みに、一撮像フレーム中にフォトダイオードPDから1回電荷の読出しを行う場合のシャッタ動作、読出し動作、及び、電荷の蓄積状態について図7に模式的に示す。 In the solid-state imaging device 10 according to the present embodiment, under the control of the system control unit 19, the vertical driving unit 13 performs, for example, read driving of charges twice from the photodiode PD during one imaging frame. FIG. 6 schematically shows a shutter operation, a read operation, a charge accumulation state, and an addition process in the case where charge is read twice from the photodiode PD during one imaging frame. Incidentally, FIG. 7 schematically shows a shutter operation, a read operation, and a charge accumulation state when the charge is read once from the photodiode PD in one imaging frame.
一撮像フレーム中にフォトダイオードPDから1回電荷の読出しを行う場合は、フォトダイオードPDに蓄えられる電荷量には限りがあることから、飽和してしまった後に発生する信号電荷を蓄えておくことができない。これに対し、1回の電荷読出しの場合よりも読出しスピードを早くして2回読出しを行い、メモリ部18に記憶し、かつ、加算処理を行うことで、読出し回数分倍に相当する電荷量をフォトダイオードPDから読み出すことができる。 When reading charge once from the photodiode PD during one imaging frame, the amount of charge stored in the photodiode PD is limited, so that signal charges generated after saturation are stored. I can't. On the other hand, the amount of charge corresponding to the number of times of reading is obtained by performing reading twice at a higher reading speed than in the case of one charge reading, storing in the memory unit 18 and performing addition processing. Can be read out from the photodiode PD.
このとき、2回の電荷読出しによって時系列で得られる2つの画素信号について、1つのAD変換部で順にAD変換を行うと、電荷の蓄積時間(露光時間)を、2つの画素信号の全てをAD変換するのに要する時間、即ち、一撮像フレーム分のAD変換期間よりも短くすることができない。 At this time, when AD conversion is sequentially performed by one AD conversion unit with respect to two pixel signals obtained in time series by two charge readouts, the charge accumulation time (exposure time) is set to all the two pixel signals. The time required for AD conversion, that is, the AD conversion period for one imaging frame cannot be shortened.
そこで、本実施形態に係る固体撮像装置10では、2回の電荷読出しに基づく2つの画素信号に対してAD変換部を2系統並列に設けた構成(2並列構成)を採っている。画素20から時系列で読み出される2つの画素信号に対してAD変換部が2系統並列に設けられていることで、時系列で読み出される2つの画素信号を、2系統のAD変換部で並列的にAD変換することができる。換言すれば、AD変換部が2系統並列に設けられていることで、1回目の電荷読出しに基づく画像信号のAD変換中に、2回目の電荷読出し及びそれに基づく画素信号のAD変換を並列的に(並行して)行うことができる。 Therefore, the solid-state imaging device 10 according to the present embodiment employs a configuration in which two AD conversion units are provided in parallel for two pixel signals based on two charge readouts (two parallel configuration). By providing two systems of AD converters in parallel for two pixel signals read out in time series from the pixel 20, two pixel signals read out in time series are paralleled by two systems of AD converters. AD conversion can be performed. In other words, since the AD converters are provided in parallel in two systems, during the AD conversion of the image signal based on the first charge reading, the second charge reading and the AD conversion of the pixel signal based on the second charge reading are performed in parallel. (In parallel).
一撮像フレーム中にフォトダイオードPDから1回電荷の読出しを行う場合と、2回電荷の読出しを行う場合の撮影環境の明るさに対する各露光時間(蓄積時間)毎のシャッタタイミングと読出しタイミングの関係の一例を図8に示す。図8の上側が、一撮像フレーム中にフォトダイオードPDから1回電荷の読出しを行う場合のシャッタタイミング及び読出しタイミングを示しており、図8の下側が、一撮像フレーム中にフォトダイオードPDから2回電荷の読出しを行う場合のシャッタタイミング及び読出しタイミングを示している。 Relationship between shutter timing and readout timing for each exposure time (accumulation time) with respect to the brightness of the photographing environment when reading out the charge once from the photodiode PD and reading out the charge twice during one imaging frame An example of this is shown in FIG. The upper side of FIG. 8 shows the shutter timing and readout timing when the charge is read once from the photodiode PD during one imaging frame, and the lower side of FIG. 8 shows 2 from the photodiode PD during one imaging frame. The shutter timing and readout timing in the case where readout of recharged charges is performed are shown.
[画素の回路動作]
ここで、2回電荷の読出しを行う場合の図5に示す回路構成の画素20の具体的な回路動作について、図9A、図9B及び図9Cのタイミング波形図を用いて説明する。
[Circuit circuit operation]
Here, a specific circuit operation of the pixel 20 having the circuit configuration shown in FIG. 5 in the case of reading out charges twice will be described with reference to timing waveform diagrams of FIGS. 9A, 9B, and 9C.
図9Aは、シャッタ時の水平同期信号Hsync、選択信号SEL1、選択信号SEL2、リセット信号RST、及び、転送信号TRGのタイミング波形図である。リセット信号RST及び転送信号TRGが同時にアクティブ状態(高レベル)になることで、リセットトランジスタ22及び転送トランジスタ21が導通状態となる。これにより、フォトダイオードPDの電荷が電源VDDのノードに捨てられるシャッタ動作が行われる。 FIG. 9A is a timing waveform diagram of the horizontal synchronization signal H sync , the selection signal SEL1, the selection signal SEL2, the reset signal RST, and the transfer signal TRG during shutter. Since the reset signal RST and the transfer signal TRG are simultaneously in an active state (high level), the reset transistor 22 and the transfer transistor 21 are turned on. As a result, a shutter operation is performed in which the charge of the photodiode PD is discarded to the node of the power supply VDD .
図9Bは、1回目の電荷読出し時の水平同期信号Hsync、選択信号SEL1、選択信号SEL2、リセット信号RST、及び、転送信号TRGのタイミング波形図である。選択信号SEL1がアクティブ状態となることで、選択トランジスタ241が導通状態となる。この選択信号SEL1のアクティブ期間において、リセット信号RSTがアクティブ状態となり、リセットトランジスタ22が導通状態となることで、フローティングディフュージョンFDがリセットされる。そして、このリセット時のフローティングディフュージョンFDの電位がリセットレベルVrstとして選択トランジスタ241によって垂直信号線31に読み出され、AD変換器141によってAD変換される。 FIG. 9B is a timing waveform diagram of the horizontal synchronization signal H sync , the selection signal SEL1, the selection signal SEL2, the reset signal RST, and the transfer signal TRG during the first charge reading. When the selection signal SEL1 becomes active, the selection transistor 24 1 becomes conductive. During the active period of the selection signal SEL1, the reset signal RST becomes active and the reset transistor 22 becomes conductive, so that the floating diffusion FD is reset. Then, the potential of the floating diffusion FD at the time of resetting is read to the vertical signal line 31 by the selection transistor 24 1 as the reset level V rst and AD-converted by the AD converter 141.
続いて、転送信号TRGがアクティブ状態となり、転送トランジスタ21が導通状態となることで、フォトダイオードPDからフローティングディフュージョンFDへ1回目の電荷の読出しが行われる。そして、この1回目の電荷読出し時のフローティングディフュージョンFDの電位が、1回目の電荷読出しに基づく信号レベルVsigとして選択トランジスタ241によって垂直信号線31に読み出され、AD変換器141によってAD変換される。このAD変換器141での1回目の電荷読出しに基づく画素信号のAD変換中に2回目の電荷読出しが行われる。 Subsequently, when the transfer signal TRG becomes active and the transfer transistor 21 becomes conductive, the first charge is read from the photodiode PD to the floating diffusion FD. The potential of the floating diffusion FD at the time of the first charge reading is read to the vertical signal line 31 by the selection transistor 24 1 as the signal level V sig based on the first charge reading, and AD conversion is performed by the AD converter 141. Is done. During the AD conversion of the pixel signal based on the first charge read by the AD converter 141, the second charge read is performed.
図9Cは、2回目の電荷読出し時の水平同期信号Hsync、選択信号SEL1、選択信号SEL2、リセット信号RST、及び、転送信号TRGのタイミング波形図である。選択信号SEL2がアクティブ状態となることで、選択トランジスタ242が導通状態となる。この選択信号SEL2のアクティブ期間において、リセット信号RSTがアクティブ状態となり、リセットトランジスタ22が導通状態となることで、フローティングディフュージョンFDがリセットされる。そして、このリセット時のフローティングディフュージョンFDの電位がリセットレベルVrstとして選択トランジスタ242によって垂直信号線31に読み出され、AD変換器141によってAD変換される。 FIG. 9C is a timing waveform diagram of the horizontal synchronization signal H sync , the selection signal SEL1, the selection signal SEL2, the reset signal RST, and the transfer signal TRG at the time of the second charge reading. As the selection signal SEL2 becomes active, the selection transistor 24 2 becomes conductive. In the active period of the selection signal SEL2, the reset signal RST is in an active state and the reset transistor 22 is in a conductive state, whereby the floating diffusion FD is reset. The potential of the floating diffusion FD when the reset is read out to the vertical signal line 31 by the selection transistor 24 2 as a reset level V rst, is AD converted by the AD converter 141.
続いて、転送信号TRGがアクティブ状態となり、転送トランジスタ21が導通状態となることで、フォトダイオードPDからフローティングディフュージョンFDへ2回目の電荷の読出しが行われる。そして、この2回目の電荷読出し時のフローティングディフュージョンFDの電位が、2回目の電荷読出しに基づく信号レベルVsigとして選択トランジスタ242によって垂直信号線32に読み出され、AD変換器151によってAD変換される。 Subsequently, when the transfer signal TRG becomes active and the transfer transistor 21 becomes conductive, the second charge is read from the photodiode PD to the floating diffusion FD. Then, the potential of the floating diffusion FD at the time of the second charge reading is read to the vertical signal line 32 by the selection transistor 24 2 as the signal level V sig based on the second charge reading, and AD conversion is performed by the AD converter 151. Is done.
このように、画素20から時系列で読み出される2つの画素信号に対してAD変換部が2系統並列に設けられていることで、2つの画素信号を別々のAD変換部で並列的にAD変換を行うことができる。これにより、2つの画素信号の各々を1つのAD変換部で順にAD変換する場合よりも、電荷の蓄積時間(露光時間)を短縮することができる。 As described above, since two AD signals are provided in parallel for two pixel signals read out from the pixel 20 in time series, the two pixel signals are AD-converted in parallel by separate AD converters. It can be performed. Accordingly, the charge accumulation time (exposure time) can be shortened as compared with the case where each of the two pixel signals is AD-converted sequentially by one AD conversion unit.
(3並列構成の例)
尚、本実施形態に係る固体撮像装置10では、一撮像フレーム中にフォトダイオードPDから2回電荷の読出しを行う場合を例に挙げて説明したが、フォトダイオードPDからの電荷の読出し回数は2回に限られるものではなく、3回以上の複数回読出しとすることもできる。一撮像フレーム中にフォトダイオードPDから3回電荷の読出しを行う場合のシャッタ動作、読出し動作、電荷の蓄積状態、及び、加算処理について図10に模式的に示す。この場合、AD変換部は3並列構成となる。
(Example of 3 parallel configuration)
In the solid-state imaging device 10 according to the present embodiment, the case where the charge is read twice from the photodiode PD in one imaging frame has been described as an example, but the number of times of reading the charge from the photodiode PD is 2. The reading is not limited to the number of times, and it is possible to read three times or more. FIG. 10 schematically shows a shutter operation, a read operation, a charge accumulation state, and an addition process when the charge is read from the photodiode PD three times during one imaging frame. In this case, the AD conversion unit has a three-parallel configuration.
(4並列構成の例)
また、一撮像フレーム中にフォトダイオードPDから4回電荷の読出しを行う場合の1つの画素列と4並列構成のAD変換器との関係を図11に示し、4並列構成の場合の画素20の回路構成の一例を図12に示す。
(Example of 4 parallel configuration)
Further, FIG. 11 shows the relationship between one pixel column and a 4-parallel configuration AD converter when the charge is read out from the photodiode PD four times during one imaging frame, and the pixel 20 in the 4-parallel configuration is shown. An example of the circuit configuration is shown in FIG.
4並列構成の場合には、システム制御部19による制御の下に、垂直駆動部13は、一撮像フレーム中にフォトダイオードPDから4回電荷の読出し駆動を行う。この4回の電荷読出しに対応して、画素20は、4つの選択トランジスタ241〜244を備えている。また、画素列毎に、4系統の垂直信号線31〜34が配線されている。そして、選択トランジスタ241が1回目に読出しに伴う画素信号を選択して垂直信号線31に出力し、選択トランジスタ242が2回目に読出しに伴う画素信号を選択して垂直信号線32に出力する。また、選択トランジスタ243が3回目に読出しに伴う画素信号を選択して垂直信号線33に出力し、選択トランジスタ244が4回目に読出しに伴う画素信号を選択して垂直信号線34に出力する。 In the case of the 4-parallel configuration, under the control of the system control unit 19, the vertical driving unit 13 performs driving to read out charges from the photodiode PD four times during one imaging frame. Corresponding to the four charge readouts, the pixel 20 includes four selection transistors 24 1 to 24 4 . In addition, four vertical signal lines 31 to 34 are wired for each pixel column. Then, the selection transistor 24 1 selects the pixel signal associated with the first reading and outputs it to the vertical signal line 31, and the selection transistor 24 2 selects the pixel signal associated with the second reading and outputs it to the vertical signal line 32. To do. In addition, the selection transistor 24 3 selects a pixel signal associated with readout for the third time and outputs it to the vertical signal line 33, and the selection transistor 24 4 selects the pixel signal associated with readout for the fourth time and outputs it to the vertical signal line 34. To do.
垂直信号線31及び垂直信号線33は、画素20から出力される画素信号を第1の方向(画素列方向における一方側/図の上方向)に伝送し、垂直信号線32及び垂直信号線34は、画素20から出力される画素信号を第2の方向(画素列方向における他方側/図の下方向)に伝送する。垂直信号線31の一端には、AD変換器(ADC1)141及び電流源41が接続され、垂直信号線33の一端には、AD変換器(ADC3)142及び電流源43が接続されている。また、垂直信号線32の一端には、AD変換器(ADC2)151及び電流源42が接続され、垂直信号線34の一端には、AD変換器(ADC4)152及び電流源44が接続されている。 The vertical signal line 31 and the vertical signal line 33 transmit the pixel signal output from the pixel 20 in the first direction (one side in the pixel column direction / upward in the figure), and the vertical signal line 32 and the vertical signal line 34. Transmits the pixel signal output from the pixel 20 in the second direction (the other side in the pixel column direction / downward in the figure). An AD converter (ADC 1) 141 and a current source 41 are connected to one end of the vertical signal line 31, and an AD converter (ADC 3) 142 and a current source 43 are connected to one end of the vertical signal line 33. An AD converter (ADC 2) 151 and a current source 42 are connected to one end of the vertical signal line 32, and an AD converter (ADC 4) 152 and a current source 44 are connected to one end of the vertical signal line 34. Yes.
(半導体基板外で加算処理する例)
本実施形態に係る固体撮像装置10では、画素アレイ部12と同じ半導体基板11に搭載されたメモリ部18において、AD変換後の複数の画素データを加算するとしたが、半導体基板11上のメモリ部18での加算処理に限られるものではない。すなわち、メモリ部18を半導体基板11外に設け、この半導体基板11外のメモリ部18で複数の画素データを加算処理する構成を採ることもできるし、メモリ部18ではなく、半導体基板11外の信号処理部41(図1参照)で複数の画素データを加算処理する構成を採ることもできる。
(Example of addition processing outside the semiconductor substrate)
In the solid-state imaging device 10 according to the present embodiment, a plurality of pixel data after AD conversion is added in the memory unit 18 mounted on the same semiconductor substrate 11 as the pixel array unit 12. It is not limited to the addition process at 18. That is, it is possible to adopt a configuration in which the memory unit 18 is provided outside the semiconductor substrate 11, and a plurality of pixel data is added in the memory unit 18 outside the semiconductor substrate 11. The signal processing unit 41 (see FIG. 1) can also be configured to add a plurality of pixel data.
半導体基板11外の信号処理部41で加算処理する場合のシャッタ動作、読出し動作、電荷の蓄積状態、及び、加算処理について図13に模式的に示す。ここでは、一撮像フレーム中にフォトダイオードPDから2回電荷の読出しを行う場合を例示しているが、3回電荷の読出しを行う場合や4回電荷の読出しを行う場合などにも、半導体基板11外の信号処理部41で加算処理を行うようにすることができる。 FIG. 13 schematically shows a shutter operation, a read operation, a charge accumulation state, and an addition process when an addition process is performed by the signal processing unit 41 outside the semiconductor substrate 11. Here, the case where the charge is read twice from the photodiode PD in one imaging frame is illustrated, but the semiconductor substrate is also used when the charge is read three times or when the charge is read four times. The signal processing unit 41 outside 11 can perform addition processing.
[応用例]
以上説明した第1実施形態に係る固体撮像装置10において、例えば4回の読出し(Read1,Read2,Read3,Read4)を全て分割で行うのではなく、一部同時に読出しを行うことで、アナログゲインがかかっているように信号レベルを制御することができる。これにより、同時に読出しが行われたAD変換部では、蓄えられる電荷量が増えるためノイズ低減の効果を得ることができる。そして、一撮像フレーム中におけるフォトダイオードPDからの電荷の読出し回数が、Read1,Read2,Read3,Read4,Read5,・・・というように増えると、アナログゲインの分解能が上がる。
[Application example]
In the solid-state imaging device 10 according to the first embodiment described above, for example, four readings (Read 1, Read 2, Read 3, Read 4) are not performed in a divided manner, but a partial reading is performed at the same time, whereby the analog gain is increased. The signal level can be controlled as if it were. As a result, in the AD conversion unit that has been read simultaneously, the amount of stored charge increases, so that an effect of noise reduction can be obtained. When the number of charges read from the photodiode PD in one imaging frame increases as Read1, Read2, Read3, Read4, Read5,..., The analog gain resolution increases.
ここでは、電荷の読出し回数が4回(AD変換部が4並列構成)の場合を例に挙げて電荷の読出しタイミングについて説明する。図14Aは、アナログゲインが1.0倍のモードの例である。図14Aに示すように、一撮像フレーム中(垂直同期期間)において、1回目、2回目、3回目、4回目の各読出し動作を時系列で順に行うことで、擬似的にフォトダイオードPDの飽和信号量を増加することができるため、ダイナミックレンジの拡大を図ることができる。 Here, the charge read timing will be described by taking as an example a case where the number of charge reads is four (the AD conversion unit has four parallel configurations). FIG. 14A shows an example of a mode in which the analog gain is 1.0 times. As shown in FIG. 14A, the first, second, third, and fourth read operations are sequentially performed in time series during one imaging frame (vertical synchronization period), thereby pseudo-saturating the photodiode PD. Since the signal amount can be increased, the dynamic range can be expanded.
これに対し、電荷の読出しタイミングを制御することによってアナログゲインを変え、ダイナミックレンジを狭めることもできる。図14Bは、アナログゲインが1.5倍のモードの例である。図14Bに示すように、1回目の読出し動作と2回目の読出し動作とを同じタイミングで行い、以降、3回目及び4回目の各読出し動作を順に行うことで、アナログゲインを1.5倍にし、ダイナミックレンジをアナログゲインが1.0倍の場合よりも狭くすることができる。 On the other hand, the dynamic range can be narrowed by changing the analog gain by controlling the charge read timing. FIG. 14B shows an example of a mode in which the analog gain is 1.5 times. As shown in FIG. 14B, the first read operation and the second read operation are performed at the same timing, and thereafter the third and fourth read operations are sequentially performed to increase the analog gain by 1.5 times. The dynamic range can be made narrower than when the analog gain is 1.0 times.
図14Cは、アナログゲインが2.0倍のモードの例である。図14Cに示すように、1回目の読出し動作と2回目の読出し動作とを同じタイミングで行い、その後、3回目の読出し動作と4回目の読出し動作とを同じタイミングで行うことで、アナログゲインを2.0倍にし、ダイナミックレンジをアナログゲインが1.5倍の場合よりも更に狭くすることができる。 FIG. 14C shows an example of a mode in which the analog gain is 2.0 times. As shown in FIG. 14C, the first read operation and the second read operation are performed at the same timing, and then the third read operation and the fourth read operation are performed at the same timing, whereby the analog gain is increased. The dynamic range can be made narrower than that when the analog gain is 1.5 times.
アナログゲインが1.0倍のモード、アナログゲインが1.5倍のモード、アナログゲインが2.0倍のモードの各モードについては、ユーザによって任意に選択可能である。例えば、ユーザが操作部(図示せず)から上記のいずれかのモードを選択するためのモード選択信号をシステム制御部19に与えるようにする。すると、システム制御部19は、モード選択信号を受けて、上記のいずれかのモードを実行するように垂直駆動部13の動作モードを設定する。 Each mode of the mode in which the analog gain is 1.0 times, the mode in which the analog gain is 1.5 times, and the mode in which the analog gain is 2.0 times can be arbitrarily selected by the user. For example, the system control unit 19 is supplied with a mode selection signal for the user to select one of the above modes from an operation unit (not shown). Then, the system control unit 19 receives the mode selection signal and sets the operation mode of the vertical drive unit 13 so as to execute any one of the above modes.
続いて、アナログゲインとダイナミックレンジと電荷の読出しタイミングとの関係について、図15A、図15B及び図15Cを用いて説明する。ここでは、電荷の読出し回数が2回(AD変換部が2並列構成)の場合を例に挙げて説明する。 Next, the relationship among the analog gain, dynamic range, and charge read timing will be described with reference to FIGS. 15A, 15B, and 15C. Here, a case will be described as an example in which the number of times of charge reading is two (the AD conversion unit has two parallel configurations).
図15Aは、アナログゲインが1.0倍のモードの例である。図15Aに示すように、一撮像フレーム中(垂直同期期間)において、1回目及び2回目の各読出し動作を時系列で順に行うことで、擬似的にフォトダイオードPDの飽和信号量を増加することができるため、ダイナミックレンジの拡大を図ることができる。 FIG. 15A is an example of a mode in which the analog gain is 1.0 times. As shown in FIG. 15A, the saturation signal amount of the photodiode PD is artificially increased by sequentially performing the first and second read operations in time series during one imaging frame (vertical synchronization period). Therefore, the dynamic range can be expanded.
図15Bは、アナログゲインが2.0倍で、1回目及び2回目の各読出し動作を時系列で順に行うモードの例である。アナログゲインを2.0倍にすると、ダイナミックレンジが半分になる。そして、ダイナミックレンジが半分になることにより、暗い被写体を明るく撮像できる。図15Cは、アナログゲインが2.0倍で、1回目及び2回目の各読出し動作を同じタイミング(同時読出し)とし、同時にAD変換するモードの例である。アナログゲインを2.0倍にし、かつ、同時読出しとすることにより、ダイナミックレンジが半分になるものの、暗い被写体を明るく撮像でき、しかも、同時読出しによる2系統の画素信号間の時間差を無くすことができる。 FIG. 15B shows an example of a mode in which the analog gain is 2.0 times and the first and second read operations are sequentially performed in time series. When the analog gain is 2.0 times, the dynamic range is halved. Since the dynamic range is halved, a dark subject can be imaged brightly. FIG. 15C shows an example of a mode in which the analog gain is 2.0 times, the first read operation and the second read operation have the same timing (simultaneous read), and AD conversion is performed simultaneously. By making the analog gain 2.0 times and simultaneous readout, the dynamic range is halved, but a dark subject can be imaged brightly, and the time difference between the two pixel signals due to simultaneous readout can be eliminated. it can.
アナログゲインが1.0倍のモード、アナログゲインが2.0倍で、読出し動作を時系列で順に行うモード、アナログゲインが2.0倍で、同時読出し(同時AD変換)とするモードの各モードの設定については、ユーザによって任意に選択可能である。例えば、ユーザが操作部(図示せず)から上記のいずれかのモードを選択するためのモード選択信号をシステム制御部19に与えるようにする。すると、システム制御部19は、モード選択信号を受けて、上記のいずれかのモードを実行するように垂直駆動部13の動作モードを設定する。 Each mode is a mode in which the analog gain is 1.0 times, a mode in which the analog gain is 2.0 times, and the readout operation is performed in time series, and a mode in which the analog gain is 2.0 times and simultaneous readout (simultaneous AD conversion) is performed. The mode setting can be arbitrarily selected by the user. For example, the system control unit 19 is supplied with a mode selection signal for the user to select one of the above modes from an operation unit (not shown). Then, the system control unit 19 receives the mode selection signal and sets the operation mode of the vertical drive unit 13 so as to execute any one of the above modes.
<第2実施形態>
本開示の第2実施形態は、1つの画素が複数の光電変換部を有する場合の例である。第2実施形態に係る固体撮像装置における画素の回路構成を図16に示す。第2実施形態でも、固体撮像装置として、CMOSイメージセンサを例示している。
Second Embodiment
The second embodiment of the present disclosure is an example in the case where one pixel has a plurality of photoelectric conversion units. FIG. 16 shows a circuit configuration of a pixel in the solid-state imaging device according to the second embodiment. Also in the second embodiment, a CMOS image sensor is exemplified as the solid-state imaging device.
第2実施形態に係る固体撮像装置において、画素20は、複数の光電変換部、例えば2つのフォトダイオードPD1,PD2を有しており、これに対応して2つの転送トランジスタ211,212を備えている。転送トランジスタ211は、垂直駆動部13から与えられる転送信号TRG1に応答して導通状態になることで、フォトダイオードPD1の電荷をフローティングディフュージョンFDに転送する。転送トランジスタ212は、垂直駆動部13から与えられる転送信号TRG2に応答して導通状態になることで、フォトダイオードPD2の電荷をフローティングディフュージョンFDに転送する。 In the solid-state imaging device according to the second embodiment, the pixel 20 includes a plurality of photoelectric conversion units, for example, two photodiodes PD 1 and PD 2 , and correspondingly, two transfer transistors 21 1 and 21. Has two . The transfer transistor 21 1 is turned on in response to the transfer signal TRG 1 supplied from the vertical drive unit 13 to transfer the charge of the photodiode PD 1 to the floating diffusion FD. The transfer transistor 21 2 is turned on in response to the transfer signal TRG 2 supplied from the vertical drive unit 13 to transfer the charge of the photodiode PD 2 to the floating diffusion FD.
第2実施形態に係る固体撮像装置においても、一撮像フレーム中にフォトダイオードPD1,PD2から複数回電荷の読出しが行われる。第2実施形態に係る固体撮像装置のシステム構成については、基本的に、図1に示す第1実施形態に係る固体撮像装置と同様のシステム構成となる。すなわち、第2実施形態に係る固体撮像装置も、電荷の読出し回数に対応した系統のAD変換部を備えており、電荷の複数回読出しに基づく複数の画素信号について、複数系統のAD変換部で並列的にAD変換するシステム構成となっている。 Also in the solid-state imaging device according to the second embodiment, electric charges are read from the photodiodes PD 1 and PD 2 a plurality of times during one imaging frame. The system configuration of the solid-state imaging device according to the second embodiment is basically the same as that of the solid-state imaging device according to the first embodiment shown in FIG. That is, the solid-state imaging device according to the second embodiment also includes a system AD conversion unit corresponding to the number of times of charge readout, and a plurality of system AD conversion units for a plurality of pixel signals based on a plurality of times of charge readout. It has a system configuration for AD conversion in parallel.
画素20が有する2つのフォトダイオードPD1,PD2については、第2実施形態に係る固体撮像装置を用いる、カメラ等の撮像装置において、自動的にピントを合わせる位相差方式のオートフォーカスに用いることができる。位相差方式のオートフォーカスは、2つのセンサーを用いて被写体像の位相差を利用し、被写体と撮像レンズとの間の距離を測定してピントを合わせる方式である。この位相差方式のオートフォーカスの2つのセンサーとして、2つのフォトダイオードPD1,PD2を用いることができる。 The two photodiodes PD 1 and PD 2 included in the pixel 20 are used for phase difference autofocusing that automatically focuses in an imaging apparatus such as a camera using the solid-state imaging apparatus according to the second embodiment. Can do. Phase difference autofocus is a method that uses two sensors to make use of the phase difference of a subject image, measures the distance between the subject and the imaging lens, and focuses. Two photodiodes PD 1 and PD 2 can be used as two sensors for this phase difference type autofocus.
2つのフォトダイオードPD1,PD2を用いる位相差方式のオートフォーカスについて、より具体的に説明する。フォトダイオードPD1とフォトダイオードPD2とは、形成位置が異なることにより、2つのフォトダイオードPD1,PD2によって得られる被写体像にずれが生じる。この被写体像のずれから、位相ずれ量(位相差)を算出してデフォーカス量を求める。そして、このデフォーカス量に基づいて、撮像レンズの光軸方向における位置調整を行うことで、オートフォーカスを達成することができる。 The phase difference type autofocus using two photodiodes PD 1 and PD 2 will be described more specifically. Since the photodiode PD 1 and the photodiode PD 2 are formed at different positions, a subject image obtained by the two photodiodes PD 1 and PD 2 is shifted. A phase shift amount (phase difference) is calculated from the shift of the subject image to obtain a defocus amount. Then, based on this defocus amount, auto focus can be achieved by adjusting the position of the imaging lens in the optical axis direction.
2つのフォトダイオードPD1,PD2の配置については、図17Aに示すように、X方向に並べる配置(図17Aの左側)や、Y方向に並べる配置(図17Aの右側)とすることができる。X方向に並べる配置の場合、2つのフォトダイオードPD1,PD2によってX方向の位相差を検出することができる。Y方向に並べる配置の場合、2つのフォトダイオードPD1,PD2によってY方向の位相差を検出することができる。 As shown in FIG. 17A, the two photodiodes PD 1 and PD 2 can be arranged in the X direction (left side in FIG. 17A) or in the Y direction (right side in FIG. 17A). . In the arrangement arranged in the X direction, the phase difference in the X direction can be detected by the two photodiodes PD 1 and PD 2 . When arranged in the Y direction, the phase difference in the Y direction can be detected by the two photodiodes PD 1 and PD 2 .
ここでは、画素20が2つのフォトダイオードPD1,PD2を有する画素構成を例示したが、この画素構成に限られるものではない。例えば、図17Bに示すように、画素20が3つのフォトダイオードPD1,PD2,PD3を有する画素構成や、図17Cに示すように、4つのフォトダイオードPD1,PD2,PD3,PD4をスクウェア配列した画素構成などであってもよい。 Here, the pixel configuration in which the pixel 20 includes the two photodiodes PD 1 and PD 2 is illustrated, but the pixel configuration is not limited thereto. For example, as shown in FIG. 17B, the pixel 20 includes three photodiodes PD 1 , PD 2 , and PD 3 , and as shown in FIG. 17C, four photodiodes PD 1 , PD 2 , PD 3 , A pixel configuration in which PD 4 is arranged in a square may be used.
因みに、4つのフォトダイオードPD1,PD2,PD3,PD4がスクウェア配列された画素構成の場合は、フォトダイオードPD1及びフォトダイオードPD3の加算結果と、フォトダイオードPD2及びフォトダイオードPD4の加算結果とから、X方向の位相差を検出することができる。また、フォトダイオードPD1及びフォトダイオードPD2の加算結果と、フォトダイオードPD3及びフォトダイオードPD4の加算結果とから、Y方向の位相差を検出することができる。 Incidentally, in the case of a pixel configuration in which the four photodiodes PD 1 , PD 2 , PD 3 , and PD 4 are arranged in a square, the addition result of the photodiode PD 1 and the photodiode PD 3 , the photodiode PD 2 and the photodiode PD From the addition result of 4 , the phase difference in the X direction can be detected. Further, the phase difference in the Y direction can be detected from the addition result of the photodiode PD 1 and the photodiode PD 2 and the addition result of the photodiode PD 3 and the photodiode PD 4 .
ところで、複数のフォトダイオード、例えば2つのフォトダイオードPD1,PD2を有する画素20においては、図18Aに示すように、例えばフォトダイオードPD1が飽和すると、その画素の露光時間(蓄積時間)に対する画素信号のリニアリティを確保することができない(従来方式1)。具体的には、図18Bに示すように、フォトダイオードPD1が飽和すると、フォトダイオードPD1の電荷とフォトダイオードPD2の電荷とを合成して得られる画素信号のリニアリティが損なわれる(崩れる)。 By the way, in the pixel 20 having a plurality of photodiodes, for example, two photodiodes PD 1 and PD 2 , as shown in FIG. 18A, for example, when the photodiode PD 1 is saturated, the exposure time (accumulation time) of the pixel is increased. The linearity of the pixel signal cannot be ensured (conventional method 1). Specifically, as shown in FIG. 18B, when the photodiode PD 1 is saturated, the linearity of the pixel signal obtained by combining the charge of the photodiode PD 1 and the charge of the photodiode PD 2 is impaired (disintegrated). .
この従来方式1に対して、図19Aに示すように、2つのフォトダイオードPD1,PD2間にブルーミングパスBPを設けることで、露光時間に対する画素信号のリニアリティを確保することができる(従来方式2)。しかしながら、ブルーミングパスBPを設けることにより、図19Bに示すように、露光期間Xにおけるリニアリティを確保できるものの、フォトダイオードPD1,PD2個々の飽和電荷量が、ブルーミングパスBPを設けない場合に比べて少なくなるため、単独のフォトダイオードとして使えるレンジが制限される。すなわち、画素20を位相差検出用画素として使用できる範囲が制限される。また、ブルーミングパスBPを全ての画素に対して精度良く加工することは難しい。 In contrast to the conventional method 1, as shown in FIG. 19A, by providing a blooming path BP between the two photodiodes PD 1 and PD 2 , the linearity of the pixel signal with respect to the exposure time can be ensured (conventional method). 2). However, by providing the blooming path BP, as shown in FIG. 19B, the linearity in the exposure period X can be ensured, but the saturation charge amount of each of the photodiodes PD 1 and PD 2 is compared to the case where the blooming path BP is not provided. Therefore, the range that can be used as a single photodiode is limited. That is, the range in which the pixel 20 can be used as a phase difference detection pixel is limited. In addition, it is difficult to accurately process the blooming pass BP for all the pixels.
第2実施形態に係る固体撮像装置では、第1実施形態に係る固体撮像装置の場合と同様に、一撮像フレーム中にフォトダイオードPD1,PD2から複数回電荷の読出しを行うようにしている。具体的には、図20Aに示すように、一撮像フレーム中にフォトダイオードPD1,PD2から例えば2回電荷の読出しを行うようにしている。 In the solid-state imaging device according to the second embodiment, as in the case of the solid-state imaging device according to the first embodiment, charges are read from the photodiodes PD 1 and PD 2 a plurality of times during one imaging frame. . Specifically, as shown in FIG. 20A, and to perform the reading from the photodiodes PD 1, PD 2 in one imaging frame for example, twice the charge.
この電荷の複数回読出しにより、2つのフォトダイオードPD1,PD2間にブルーミングパスBPを形成しなくても、図20Bに示すように、2つのフォトダイオードPD1,PD2を有する画素20の画素信号の露光時間に対するリニアリティを確保することができる。しかも、ブルーミングパスBPが存在しないことで、位相差検出用画素として使用できる範囲が制限されることもない。すなわち、第2実施形態に係る固体撮像装置によれば、ダイナミックレンジの拡大及び位相差検出の両方の機能を果たすことができる。 As shown in FIG. 20B, even if the blooming path BP is not formed between the two photodiodes PD 1 and PD 2 by reading out the charges multiple times, the pixel 20 having the two photodiodes PD 1 and PD 2 is formed. Linearity with respect to the exposure time of the pixel signal can be ensured. Moreover, the absence of the blooming path BP does not limit the range that can be used as the phase difference detection pixel. That is, according to the solid-state imaging device according to the second embodiment, both functions of dynamic range expansion and phase difference detection can be achieved.
<変形例>
以上、本開示の技術について、好ましい実施形態に基づき説明したが、本開示の技術はこれらの実施形態に限定されるものではない。上記の各実施形態において説明した固体撮像装置の構成、構造は例示であり、適宜、変更することができる。
<Modification>
As mentioned above, although the technique of this indication was demonstrated based on preferable embodiment, the technique of this indication is not limited to these embodiment. The configuration and structure of the solid-state imaging device described in each of the above embodiments are examples, and can be changed as appropriate.
例えば、上記の各実施形態では、転送トランジスタ21、リセットトランジスタ22、増幅トランジスタ23、及び、選択トランジスタ24(241,242)の4つの機能トランジスタ(Tr)を有する、所謂、4Tr構成の画素20をベースとする場合を例に挙げて説明したが、これに限られるものではない。 For example, in each of the above-described embodiments, a so-called 4Tr configuration pixel having four functional transistors (Tr) including a transfer transistor 21, a reset transistor 22, an amplification transistor 23, and a selection transistor 24 (24 1 , 24 2 ). Although the case where 20 is used as a base has been described as an example, the present invention is not limited to this.
例えば、増幅トランジスタ23のドレイン電位の制御によって増幅トランジスタ23に選択トランジスタ24の機能を持たせた、所謂、3Tr構成の画素20をベースとする場合に対しても本開示の技術を適用することができる。3Tr構成の画素20をベースとする場合には、増幅トランジスタ23を電荷の読出し回数に対応する数だけ設け、これら複数の増幅トランジスタ23のドレイン電位を制御することにより、上記の各実施形態と同様の作用、効果を得ることができる。 For example, the technique of the present disclosure can be applied to a case where a pixel 20 having a so-called 3Tr configuration in which the amplification transistor 23 has a function of the selection transistor 24 by controlling the drain potential of the amplification transistor 23 is used as a base. it can. In the case where the pixel 20 having the 3Tr configuration is used as a base, the same number of amplification transistors 23 as the number of charges read out are provided, and the drain potentials of the plurality of amplification transistors 23 are controlled. The effects and effects can be obtained.
また、上記の各実施形態では、半導体基板11上に画素アレイ部12と共に、AD変換部14,15やメモリ部18を搭載した、所謂、平置構造の固体撮像装置に適用した場合を例に挙げて説明したが、平置構造の固体撮像装置への適用に限られるものではない。すなわち、複数の半導体基板が互いに積層されて成る、所謂、積層構造の固体撮像装置にも適用することができる。積層構造の固体撮像装置としては、例えば図21に示すように、画素アレイ部12が形成された半導体基板61、メモリ部18が形成された半導体基板62、並びに、AD変換部14,15及びカラム処理部16,17が形成された半導体基板63が積層されて成る固体撮像装置10を例示することができる。 In each of the above embodiments, the case where the present invention is applied to a so-called flat structure solid-state imaging device in which the AD conversion units 14 and 15 and the memory unit 18 are mounted on the semiconductor substrate 11 together with the pixel array unit 12 is taken as an example. Although described above, the present invention is not limited to application to a solid-state imaging device having a flat structure. That is, the present invention can also be applied to a so-called stacked structure solid-state imaging device in which a plurality of semiconductor substrates are stacked on each other. As a solid-state imaging device having a stacked structure, for example, as shown in FIG. 21, a semiconductor substrate 61 in which a pixel array unit 12 is formed, a semiconductor substrate 62 in which a memory unit 18 is formed, AD conversion units 14 and 15 and a column The solid-state imaging device 10 formed by stacking the semiconductor substrates 63 on which the processing units 16 and 17 are formed can be exemplified.
この積層構造の固体撮像装置10によれば、1層目の半導体基板61として画素アレイ部12を形成できるだけの大きさ(面積)のもので済むため、1層目の半導体基板61のサイズ(面積)、ひいては、チップ全体のサイズを小さくできる。更に、1層目の半導体基板61には画素の作成に適したプロセスを適用でき、2層目、3層目の半導体基板62,63には回路の作成に適したプロセスを適用できるため、固体撮像装置10の製造に当たって、プロセスの最適化を図ることができるメリットもある。 According to the solid-state imaging device 10 having this stacked structure, the first layer semiconductor substrate 61 needs only to have a size (area) sufficient to form the pixel array unit 12, and thus the size (area) of the first layer semiconductor substrate 61 is sufficient. ) As a result, the size of the entire chip can be reduced. Furthermore, a process suitable for pixel creation can be applied to the first semiconductor substrate 61, and a process suitable for circuit creation can be applied to the second and third semiconductor substrates 62 and 63. In manufacturing the imaging device 10, there is also an advantage that process optimization can be achieved.
また、積層構造の固体撮像装置10において、画素アレイ部12から読み出された画素信号については、AD変換部14,15でデジタルデータに変換した後、図示せぬメモリコントローラによる制御の下に、高速にメモリ部18に書き込むことができる。そして、メモリ部18に書き込んデジタルデータについては、メモリコントローラによる制御の下に、低速にカラム処理部16,17等の信号処理部へ読み出すことができる。これにより、画素アレイ部12からメモリ部18へ画素信号を瞬時に読み出し、メモリ部18からゆっくり読み出して信号処理を行うことができるため、歪みの少ない高画質の画像を得ることができる。 Further, in the solid-state imaging device 10 having a stacked structure, pixel signals read from the pixel array unit 12 are converted into digital data by the AD conversion units 14 and 15 and then controlled by a memory controller (not shown). Data can be written to the memory unit 18 at high speed. The digital data written to the memory unit 18 can be read out to the signal processing units such as the column processing units 16 and 17 at a low speed under the control of the memory controller. As a result, pixel signals can be instantaneously read from the pixel array unit 12 to the memory unit 18 and slowly read from the memory unit 18 to perform signal processing, so that a high-quality image with little distortion can be obtained.
尚、ここでは、3層の積層構造を例示したが、これに限られるものではなく、2層の積層構造であってもよいし、4層以上の積層構造であってもよい。 In addition, although the three-layer laminated structure is illustrated here, the present invention is not limited to this, and a two-layer laminated structure or a four-layer or more laminated structure may be used.
<本開示の電子機器>
上述した第1、第2実施形態に係る固体撮像装置は、デジタルスチルカメラやビデオカメラ等の撮像装置や、携帯電話機などの撮像機能を有する携帯端末装置や、画像読取部に固体撮像装置を用いる複写機などの電子機器全般において、その撮像部(画像取込部)として用いることができる。尚、固体撮像装置はワンチップとして形成された形態であってもよいし、撮像部と、信号処理部又は光学系とがまとめてパッケージングされた撮像機能を有するモジュール状の形態であってもよい。電子機器に搭載される上記モジュール状の形態、即ち、カメラモジュールを撮像装置とする場合もある。
<Electronic device of the present disclosure>
The solid-state imaging device according to the first and second embodiments described above uses an imaging device such as a digital still camera or a video camera, a portable terminal device having an imaging function such as a mobile phone, or a solid-state imaging device for an image reading unit. It can be used as an imaging unit (image capturing unit) in electronic devices such as copying machines. Note that the solid-state imaging device may be formed as a single chip, or may be in a modular form having an imaging function in which an imaging unit and a signal processing unit or an optical system are packaged together. Good. There is a case where the above-mentioned module form mounted on an electronic device, that is, a camera module is used as an imaging device.
[撮像装置]
図22は、本開示の電子機器の一例である撮像装置の構成を示すブロック図である。図22に示すように、本例に係る撮像装置100は、レンズ群等を含む光学系101、撮像部102、DSP回路103、フレームメモリ104、表示装置105、記録装置106、操作系107、及び、電源系108等を有している。そして、DSP回路103、フレームメモリ104、表示装置105、記録装置106、操作系107、及び、電源系108がバスライン109を介して相互に接続された構成となっている。
[Imaging device]
FIG. 22 is a block diagram illustrating a configuration of an imaging apparatus that is an example of the electronic apparatus of the present disclosure. As shown in FIG. 22, an imaging apparatus 100 according to this example includes an optical system 101 including a lens group and the like, an imaging unit 102, a DSP circuit 103, a frame memory 104, a display device 105, a recording device 106, an operation system 107, and And a power supply system 108 and the like. The DSP circuit 103, the frame memory 104, the display device 105, the recording device 106, the operation system 107, and the power supply system 108 are connected to each other via a bus line 109.
光学系101は、被写体からの入射光(像光)を取り込んで撮像部102の撮像面上に結像する。撮像部102は、光学系101によって撮像面上に結像された入射光の光量を画素単位で電気信号に変換して画素信号として出力する。DSP回路103は、一般的なカメラ信号処理、例えば、ホワイトバランス処理、デモザイク処理、ガンマ補正処理などを行う。 The optical system 101 captures incident light (image light) from a subject and forms an image on the imaging surface of the imaging unit 102. The imaging unit 102 converts the amount of incident light imaged on the imaging surface by the optical system 101 into an electrical signal for each pixel and outputs the electrical signal as a pixel signal. The DSP circuit 103 performs general camera signal processing, such as white balance processing, demosaic processing, and gamma correction processing.
フレームメモリ104は、DSP回路103での信号処理の過程で適宜データの格納に用いられる。表示装置105は、液晶表示装置や有機EL(electro luminescence)表示装置などのパネル型表示装置から成り、撮像部102で撮像された動画又は静止画を表示する。記録装置106は、撮像部102で撮像された動画又は静止画を、可搬型の半導体メモリや、光ディスク、HDD(Hard Disk Drive)等の記録媒体に記録する。 The frame memory 104 is appropriately used for storing data during the signal processing in the DSP circuit 103. The display device 105 includes a panel type display device such as a liquid crystal display device or an organic EL (electroluminescence) display device, and displays a moving image or a still image captured by the imaging unit 102. The recording device 106 records the moving image or the still image captured by the imaging unit 102 on a recording medium such as a portable semiconductor memory, an optical disk, or an HDD (Hard Disk Drive).
操作系107は、ユーザによる操作の下に、本撮像装置100が持つ様々な機能について操作指令を発する。電源系108は、DSP回路103、フレームメモリ104、表示装置105、記録装置106、及び、操作系107の動作電源となる各種の電源を、これら供給対象に対して適宜供給する。 The operation system 107 issues operation commands for various functions of the imaging apparatus 100 under the operation of the user. The power supply system 108 appropriately supplies various power supplies serving as operation power for the DSP circuit 103, the frame memory 104, the display device 105, the recording device 106, and the operation system 107 to these supply targets.
上記の構成の撮像装置100において、撮像部102として、先述した第1、第2実施形態に係る固体撮像装置を用いることができる。第1、第2実施形態に係る固体撮像装置は、ダイナミックレンジを拡大できるとともに、露光時間を短縮できる。従って、撮像部102として、第1、第2実施形態に係る固体撮像装置を用いることにより、高照度の撮影に対応することができるとともに、例えば動画を撮影する際の画像のブレの発生を抑えることができる。 In the imaging device 100 configured as described above, the solid-state imaging device according to the first and second embodiments described above can be used as the imaging unit 102. The solid-state imaging device according to the first and second embodiments can expand the dynamic range and shorten the exposure time. Therefore, by using the solid-state imaging device according to the first and second embodiments as the imaging unit 102, it is possible to cope with shooting with high illuminance and suppress the occurrence of image blurring when shooting a moving image, for example. be able to.
<本開示がとることができる構成>
尚、本開示は、以下のような構成をとることもできる。
[1]光電変換部を含む画素が配置されて成る画素アレイ部、
一撮像フレーム中に光電変換部から複数回電荷の読出しを行う駆動部、及び、
複数回の電荷の読出しに基づく複数の画素信号の各々を並列的にアナログ−デジタル変換するアナログ−デジタル変換部、
を備える固体撮像装置。
[2]画素は、複数の画素信号に対応した複数の選択トランジスタを有しており、
複数の選択トランジスタは、複数の画素信号を並列的に選択して、対応する垂直信号線を通してアナログ−デジタル変換部に供給する、
上記[1]に記載の固体撮像装置。
[3]垂直信号線は、画素信号を画素列毎に第1の方向に伝送する第1の信号線群、及び、画素信号を画素列毎に第1の方向と反対方向の第2の方向に伝送する第2の信号線群から成り、
アナログ−デジタル変換部は、画素列毎に設けられ、第1の信号線群によって伝送される画素信号をアナログ−デジタル変換するアナログ−デジタル変換器の集合、及び、画素列毎に設けられ、第2の信号線群によって伝送される画素信号をアナログ−デジタル変換するアナログ−デジタル変換器の集合から成る、
上記[2]に記載の固体撮像装置。
[4]アナログ−デジタル変換器は、
傾斜状の波形の参照電圧を生成する参照電圧生成部、
画素から垂直信号線を通して供給される画素信号と、傾斜状の波形の参照電圧とを比較し、画素信号のレベルに対応したパルス幅のパルス信号を出力する比較器、及び、
比較器の比較動作の開始から終了までの比較期間において所定のクロックに同期してカウント動作を行うカウント部、
を有し、カウント部のカウント値をアナログ−デジタル変換後のデジタル値とする、
上記[3]に記載の固体撮像装置。
[5]ユーザの選択に応じて、複数回の電荷の読出しに基づく複数の画素信号について、複数の選択トランジスタを通して時系列で読み出すモードと、複数の選択トランジスタを通して同時に読み出すモードとを設定可能である、
上記[1]乃至[4]のいずれかに記載の固体撮像装置。
[6]複数の画素信号に基づいて、アナログ−デジタル変換部から出力される複数のデジタルデータを記憶するメモリ部を備える、
上記[1]乃至[5]のいずれかに記載の固体撮像装置。
[7]複数のデジタルデータは、メモリ部で加算処理される、
上記[6]に記載の固体撮像装置。
[8]1つの画素内に複数の光電変換部を有する、
上記[1]乃至[7]のいずれかに記載の固体撮像装置。
[9]複数の光電変換部は、被写体像の位相差を利用して被写体との距離を測定する位相差検出に用いられる、
上記[8]に記載の固体撮像装置。
[10]画素アレイ部とアナログ−デジタル変換部とはそれぞれ、互いに積層された、異なる半導体基板に搭載されている、
上記[1]乃至[9]のいずれかに記載の固体撮像装置。
[11]光電変換部を含む画素が配置されて成る固体撮像装置の駆動に当たって、
一撮像フレーム中に光電変換部から複数回電荷の読出しを行い、
複数回の電荷の読出しに基づく複数の画素信号の各々を並列的にアナログ−デジタル変換する、
固体撮像装置の駆動方法。
[12]光電変換部を含む画素が配置されて成る画素アレイ部、
一撮像フレーム中に光電変換部から複数回電荷の読出しを行う駆動部、及び、
複数回の電荷の読出しに基づく複数の画素信号の各々を並列的にアナログ−デジタル変換するアナログ−デジタル変換部、
を備える固体撮像装置を有する電子機器。
<Configuration that the present disclosure can take>
In addition, this indication can also take the following structures.
[1] A pixel array unit in which pixels including a photoelectric conversion unit are arranged,
A drive unit that reads out charges from the photoelectric conversion unit a plurality of times during one imaging frame; and
An analog-to-digital conversion unit that performs analog-to-digital conversion on each of a plurality of pixel signals based on a plurality of times of charge readout;
A solid-state imaging device.
[2] The pixel has a plurality of selection transistors corresponding to a plurality of pixel signals,
The plurality of selection transistors select a plurality of pixel signals in parallel and supply them to the analog-digital conversion unit through corresponding vertical signal lines.
The solid-state imaging device according to [1] above.
[3] The vertical signal lines include a first signal line group that transmits pixel signals in a first direction for each pixel column, and a second direction opposite to the first direction for each pixel column. A second signal line group transmitting to
The analog-digital conversion unit is provided for each pixel column, and is provided for each pixel column and a set of analog-digital converters that perform analog-digital conversion on pixel signals transmitted by the first signal line group. A set of analog-to-digital converters for analog-to-digital conversion of pixel signals transmitted by two signal line groups;
The solid-state imaging device according to [2] above.
[4] Analog-to-digital converter
A reference voltage generator for generating a reference voltage having an inclined waveform;
A comparator that compares a pixel signal supplied from a pixel through a vertical signal line with a reference voltage having an inclined waveform and outputs a pulse signal having a pulse width corresponding to the level of the pixel signal; and
A counting unit that performs a counting operation in synchronization with a predetermined clock in a comparison period from the start to the end of the comparison operation of the comparator;
The count value of the count unit is a digital value after analog-digital conversion,
The solid-state imaging device according to [3] above.
[5] A mode in which a plurality of pixel signals based on a plurality of charge readouts are read in time series through a plurality of selection transistors and a mode in which reading is simultaneously performed through the plurality of selection transistors can be set according to a user's selection. ,
The solid-state imaging device according to any one of [1] to [4].
[6] A memory unit that stores a plurality of digital data output from the analog-digital conversion unit based on the plurality of pixel signals is provided.
The solid-state imaging device according to any one of [1] to [5].
[7] The plurality of digital data is added in the memory unit.
The solid-state imaging device according to [6] above.
[8] Having a plurality of photoelectric conversion units in one pixel.
The solid-state imaging device according to any one of [1] to [7].
[9] The plurality of photoelectric conversion units are used for phase difference detection that measures the distance to the subject using the phase difference of the subject image.
The solid-state imaging device according to [8] above.
[10] The pixel array unit and the analog-digital conversion unit are respectively mounted on different semiconductor substrates stacked on each other.
The solid-state imaging device according to any one of [1] to [9].
[11] In driving a solid-state imaging device in which pixels including a photoelectric conversion unit are arranged,
Read out the charge multiple times from the photoelectric converter during one imaging frame,
Analog-to-digital conversion of each of a plurality of pixel signals based on a plurality of charge readouts in parallel.
A driving method of a solid-state imaging device.
[12] A pixel array unit in which pixels including a photoelectric conversion unit are arranged,
A drive unit that reads out charges from the photoelectric conversion unit a plurality of times during one imaging frame; and
An analog-to-digital conversion unit that performs analog-to-digital conversion on each of a plurality of pixel signals based on readout of a plurality of charges in parallel;
An electronic apparatus having a solid-state imaging device.
10・・・固体撮像装置、11・・・半導体基板(半導体チップ)、12・・・画素アレイ部、13・・・垂直駆動部、14,15・・・AD変換部(アナログ−デジタル変換部)、16,17・・・カラム処理部、18・・・メモリ部、19・・・システム制御部、20・・・画素、21・・・フォトダイオード(光電変換部)、22・・・転送トランジスタ、23・・・リセットトランジスタ、24・・・増幅トランジスタ、251,252・・・選択トランジスタ、31〜34・・・垂直信号線、41〜44・・・電流源、51・・・信号処理部、52・・・インターフェース、141,142,151,132・・・AD変換器、1411・・・参照電圧生成部、1412・・・比較器(コンパレータ)、1413・・・アップ/ダウンカウンタ(カウント部) DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 ... Solid-state imaging device, 11 ... Semiconductor substrate (semiconductor chip), 12 ... Pixel array part, 13 ... Vertical drive part, 14, 15 ... AD conversion part (Analog-digital conversion part) , 16, 17 ... column processing unit, 18 ... memory unit, 19 ... system control unit, 20 ... pixel, 21 ... photodiode (photoelectric conversion unit), 22 ... transfer Transistor 23... Reset transistor 24... Amplifier transistor 25 1 , 25 2 ... Select transistor 31 to 34... Vertical signal line 41 to 44. Signal processing unit, 52 ... interface, 141, 142, 151, 132 ... AD converter, 1411 ... reference voltage generation unit, 1412 ... comparator (comparator), 1413 ... up / down Down counter (counting unit)
Claims (12)
一撮像フレーム中に光電変換部から複数回電荷の読出しを行う駆動部、及び、
複数回の電荷の読出しに基づく複数の画素信号の各々を並列的にアナログ−デジタル変換するアナログ−デジタル変換部、
を備える固体撮像装置。 A pixel array unit in which pixels including a photoelectric conversion unit are arranged;
A drive unit that reads out charges from the photoelectric conversion unit a plurality of times during one imaging frame; and
An analog-to-digital conversion unit that performs analog-to-digital conversion on each of a plurality of pixel signals based on readout of a plurality of charges in parallel;
A solid-state imaging device.
複数の選択トランジスタは、複数の画素信号を並列的に選択して、対応する垂直信号線を通してアナログ−デジタル変換部に供給する、
請求項1に記載の固体撮像装置。 The pixel has a plurality of selection transistors corresponding to a plurality of pixel signals,
The plurality of selection transistors select a plurality of pixel signals in parallel and supply them to the analog-digital conversion unit through corresponding vertical signal lines.
The solid-state imaging device according to claim 1.
アナログ−デジタル変換部は、画素列毎に設けられ、第1の信号線群によって伝送される画素信号をアナログ−デジタル変換するアナログ−デジタル変換器の集合、及び、画素列毎に設けられ、第2の信号線群によって伝送される画素信号をアナログ−デジタル変換するアナログ−デジタル変換器の集合から成る、
請求項2に記載の固体撮像装置。 The vertical signal lines transmit a pixel signal in a first direction for each pixel column in a first direction, and transmit the pixel signal in a second direction opposite to the first direction for each pixel column. A second signal line group,
The analog-digital conversion unit is provided for each pixel column, and is provided for each pixel column and a set of analog-digital converters that perform analog-digital conversion on pixel signals transmitted by the first signal line group. A set of analog-to-digital converters for analog-to-digital conversion of pixel signals transmitted by two signal line groups;
The solid-state imaging device according to claim 2.
傾斜状の波形の参照電圧を生成する参照電圧生成部、
画素から垂直信号線を通して供給される画素信号と、傾斜状の波形の参照電圧とを比較し、画素信号のレベルに対応したパルス幅のパルス信号を出力する比較器、及び、
比較器の比較動作の開始から終了までの比較期間において所定のクロックに同期してカウント動作を行うカウント部、
を有し、カウント部のカウント値をアナログ−デジタル変換後のデジタル値とする、
請求項3に記載の固体撮像装置。 Analog-to-digital converter
A reference voltage generator for generating a reference voltage having an inclined waveform;
A comparator that compares a pixel signal supplied from a pixel through a vertical signal line with a reference voltage having an inclined waveform and outputs a pulse signal having a pulse width corresponding to the level of the pixel signal; and
A counting unit that performs a counting operation in synchronization with a predetermined clock in a comparison period from the start to the end of the comparison operation of the comparator;
The count value of the count unit is a digital value after analog-digital conversion,
The solid-state imaging device according to claim 3.
請求項2に記載の固体撮像装置。 According to the user's selection, it is possible to set a mode for reading a plurality of pixel signals based on a plurality of charge readouts in time series through a plurality of selection transistors and a mode for simultaneously reading through a plurality of selection transistors.
The solid-state imaging device according to claim 2.
請求項1に記載の固体撮像装置。 A memory unit for storing a plurality of digital data output from the analog-digital conversion unit based on the plurality of pixel signals;
The solid-state imaging device according to claim 1.
請求項6に記載の固体撮像装置。 The plurality of digital data is added in the memory unit.
The solid-state imaging device according to claim 6.
請求項1に記載の固体撮像装置。 Having a plurality of photoelectric conversion units in one pixel;
The solid-state imaging device according to claim 1.
請求項8に記載の固体撮像装置。 The plurality of photoelectric conversion units are used for phase difference detection that measures the distance to the subject using the phase difference of the subject image.
The solid-state imaging device according to claim 8.
請求項1に記載の固体撮像装置。 The pixel array unit and the analog-digital conversion unit are respectively mounted on different semiconductor substrates stacked on each other.
The solid-state imaging device according to claim 1.
一撮像フレーム中に光電変換部から複数回電荷の読出しを行い、
複数回の電荷の読出しに基づく複数の画素信号の各々を並列的にアナログ−デジタル変換する、
固体撮像装置の駆動方法。 In driving a solid-state imaging device in which pixels including a photoelectric conversion unit are arranged,
Read out the charge multiple times from the photoelectric converter during one imaging frame,
Analog-to-digital conversion of each of a plurality of pixel signals based on a plurality of charge readouts in parallel.
A driving method of a solid-state imaging device.
一撮像フレーム中に光電変換部から複数回電荷の読出しを行う駆動部、及び、
複数回の電荷の読出しに基づく複数の画素信号の各々を並列的にアナログ−デジタル変換するアナログ−デジタル変換部、
を備える固体撮像装置を有する電子機器。 A pixel array unit in which pixels including a photoelectric conversion unit are arranged;
A drive unit that reads out charges from the photoelectric conversion unit a plurality of times during one imaging frame; and
An analog-to-digital conversion unit that performs analog-to-digital conversion on each of a plurality of pixel signals based on a plurality of times of charge readout;
An electronic apparatus having a solid-state imaging device.
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