JP2008270832A - Solid-state imaging element and imaging apparatus - Google Patents

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信雄 鈴木
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a solid-state imaging element in which a ratio of sensitivity of high-sensitivity pixels to that of low-sensitivity pixels can be changed. <P>SOLUTION: In this solid-state imaging element, first photoelectric conversion elements 350 and second photoelectric conversion elements 360 are arranged in a square lattice shape, respectively, and disposed in positions shifted from each other in a row direction X and a column direction Y by 1/2 of an array pitch. The detection charges of the photoelectric conversion elements 350, 360 are transferred to an output portion 340 through a plurality of vertical transfer parts 310 and horizontal transfer parts 320. A color filter is provided on the upper part of the photoelectric conversion elements 350, 360, and arranged in a Bayer array, respectively. The charge read area of the first photoelectric conversion element 350 and the charge read area of the second photoelectric conversion element 360 are formed at positions corresponding to vertical transfer electrodes having a different positional relationship, respectively. <P>COPYRIGHT: (C)2009,JPO&INPIT

Description

本発明は、半導体基板表面に行方向とこれに直交する列方向に配設された複数の光電変換素子を含む固体撮像素子、及びこのような固体撮像素子を備える撮像装置に関する。   The present invention relates to a solid-state imaging device including a plurality of photoelectric conversion elements arranged on a semiconductor substrate surface in a row direction and a column direction orthogonal thereto, and an imaging apparatus including such a solid-state imaging device.

デジタルカメラに利用される固体撮像素子は、光電変換素子によって画像信号に対応する電荷を検出するため、一般にダイナミックレンジを広げるのが困難である。そこで、広ダイナミックレンジの画像を得るため、相対的に高感度の光電変換素子(以下、「高感度画素」と記述する場合もある。)と、相対的に低感度の光電変換素子(以下、「低感度画素」と記述する場合もある。)を有する固体撮像素子を利用することが提案されている(特許文献1〜3参照)。   Since a solid-state imaging device used for a digital camera detects charges corresponding to an image signal by a photoelectric conversion device, it is generally difficult to widen the dynamic range. Therefore, in order to obtain an image with a wide dynamic range, a relatively high-sensitivity photoelectric conversion element (hereinafter sometimes referred to as “high-sensitivity pixel”) and a relatively low-sensitivity photoelectric conversion element (hereinafter referred to as “high-sensitivity pixel”). It has been proposed to use a solid-state imaging device having “low-sensitivity pixels” (see Patent Documents 1 to 3).

感度の異なる光電変換信号は、光電変換素子の開口面積を変化させたり(例えば特許文献3参照)、光電変換素子上方に設けたフィルタの光透過率を変化させたり(例えば特許文献1、特許文献2参照)、同じく光電変換素子上方に設けたマイクロレンズの形状を変化させたりする(例えば特許文献3参照)ことによって得ることができる。   Photoelectric conversion signals having different sensitivities change the aperture area of the photoelectric conversion element (see, for example, Patent Document 3), or change the light transmittance of a filter provided above the photoelectric conversion element (for example, Patent Document 1, Patent Document). 2), and can be obtained by changing the shape of the microlens provided above the photoelectric conversion element (see, for example, Patent Document 3).

しかし、特許文献1−3に示される固体撮像素子の高感度画素と低感度画素の感度比は、固体撮像素子の構造に依存するため、変化させることができない。したがって、シーンに応じて最適なダイナミックレンジで撮影することが困難である。   However, the sensitivity ratio between the high-sensitivity pixel and the low-sensitivity pixel of the solid-state image sensor disclosed in Patent Documents 1-3 depends on the structure of the solid-state image sensor and cannot be changed. Therefore, it is difficult to shoot with an optimal dynamic range according to the scene.

特開2000−69491号公報JP 2000-69491 A 特開2000−316163号公報JP 2000-316163 A 特開2001−8104号公報JP 2001-8104 A

本発明は、上記事情に鑑みなされたもので、高感度画素と低感度画素の感度比を、変化させることができる固体撮像素子を提供することを目的とする。また、撮影シーンに応じてダイナミックレンジを変化させることができる撮像装置を提供することを目的とする。   The present invention has been made in view of the above circumstances, and an object of the present invention is to provide a solid-state imaging device capable of changing the sensitivity ratio between a high-sensitivity pixel and a low-sensitivity pixel. It is another object of the present invention to provide an imaging apparatus capable of changing the dynamic range according to the shooting scene.

本発明の固体撮像素子は、半導体基板表面に行方向とこれに直交する列方向に配設された複数の光電変換素子を含む固体撮像素子であって、前記光電変換素子の上方に配列されたカラーフィルタと、前記光電変換素子からの電荷を前記列方向に転送する垂直転送部と、前記垂直転送部からの電荷を、前記行方向に転送する水平転送部と、前記水平転送部によって転送される電荷に応じた信号を出力する出力部とを有し、前記光電変換素子は、行方向とこれに直交する列方向に正方格子状に配設された複数の第1光電変換素子と、行方向とこれに直交する列方向に正方格子状に配設された複数の第2光電変換素子とを含み、前記第1光電変換素子と前記第2光電変換素子は、同一の配設ピッチで、かつ、互いに配設ピッチの1/2だけ行方向及び列方向にずれた位置に配設されており、前記第1の光電変換素子の上方に配列されたカラーフィルタと、前記第2の光電変換素子の上方に配列されたカラーフィルタとは、それぞれベイヤー配列となっており、前記垂直転送部は、列方向に配設された複数の前記光電変換素子に対応して前記半導体基板に形成された複数本の垂直転送チャネルと、前記垂直転送チャネルの各々を平面視上交差するように形成された複数本の垂直転送電極と、前記光電変換素子の電荷を前記垂直転送チャネルに読み出す電荷読み出し領域とを含み、前記垂直転送チャネルは、前記光電変換素子の間を全体として列方向に延在する蛇行形状を呈するものであり、前記垂直転送電極は、前記光電変換素子に対応してそれぞれ複数本設けられ、かつ、電変換素子の間を全体として行方向に延在する蛇行形状を呈するものであり、前記第1光電変換素子に対応する前記電荷読み出し領域と前記第2光電変換素子に対応する前記電荷読み出し領域は、それぞれ、異なる位置関係にある前記垂直転送電極に対応する位置に設けられるものである。   A solid-state imaging device according to the present invention is a solid-state imaging device including a plurality of photoelectric conversion elements arranged on a semiconductor substrate surface in a row direction and a column direction orthogonal thereto, and is arranged above the photoelectric conversion elements. The color filter, a vertical transfer unit that transfers charges from the photoelectric conversion element in the column direction, a horizontal transfer unit that transfers charges from the vertical transfer unit in the row direction, and the horizontal transfer unit. The photoelectric conversion element includes a plurality of first photoelectric conversion elements arranged in a square lattice pattern in a row direction and a column direction perpendicular thereto, and a row. A plurality of second photoelectric conversion elements arranged in a square lattice pattern in a direction perpendicular to the direction, the first photoelectric conversion elements and the second photoelectric conversion elements at the same arrangement pitch, In addition, the row direction and the half of the arrangement pitch with each other. The color filter arranged above the first photoelectric conversion element and the color filter arranged above the second photoelectric conversion element are arranged at positions shifted in the column direction, respectively. The vertical transfer unit includes a plurality of vertical transfer channels formed on the semiconductor substrate corresponding to the plurality of photoelectric conversion elements arranged in a column direction, and each of the vertical transfer channels. A plurality of vertical transfer electrodes formed so as to intersect with each other in plan view, and a charge read region for reading out the charge of the photoelectric conversion element to the vertical transfer channel, the vertical transfer channel of the photoelectric conversion element It has a meandering shape extending in the column direction as a whole, and a plurality of the vertical transfer electrodes are provided corresponding to the photoelectric conversion elements, and between the electric conversion elements As a whole, it has a meandering shape extending in the row direction, and the charge readout region corresponding to the first photoelectric conversion element and the charge readout region corresponding to the second photoelectric conversion element have different positional relationships. Are provided at positions corresponding to the vertical transfer electrodes.

本発明によれば、光電変換素子がいわゆるハニカム配列である固体撮像素子について、第1光電変換素子からの垂直転送チャネルへの電荷読み出しタイミングと、第2光電変換素子からの垂直転送チャネルへの電荷読み出しタイミングとを独立に制御することができる。したがって、固体撮像素子の駆動パルスを制御することにより、第1光電変換素子への電荷蓄積時間と第2光電変換素子への電荷蓄積時間の少なくとも一方を変化させることができ、蓄積電荷に基づく高感度画像信号と低感度画像信号との感度比を変更することができる。   According to the present invention, for a solid-state imaging device in which the photoelectric conversion element is a so-called honeycomb arrangement, the charge readout timing from the first photoelectric conversion element to the vertical transfer channel and the charge from the second photoelectric conversion element to the vertical transfer channel The read timing can be controlled independently. Therefore, by controlling the driving pulse of the solid-state imaging device, at least one of the charge accumulation time in the first photoelectric conversion element and the charge accumulation time in the second photoelectric conversion element can be changed. The sensitivity ratio between the sensitivity image signal and the low sensitivity image signal can be changed.

本発明の固体撮像素子は、前記第1光電変換素子が、相対的に高い光電変換感度を有し、前記第2の光電変換素子が、相対的に低い光電変換感度を有するものを含む。   The solid-state imaging device of the present invention includes one in which the first photoelectric conversion element has a relatively high photoelectric conversion sensitivity and the second photoelectric conversion element has a relatively low photoelectric conversion sensitivity.

本発明の固体撮像素子は、前記電荷読み出し領域での電荷読み出しを指示する読み出しパルスが、前記第1光電変換素子と前記第2光電変換素子とに印加される読み出しパルスが撮像シーンに応じて変化する露光時間制御パルスを含むものを含む。   In the solid-state imaging device of the present invention, the readout pulse instructing readout of charges in the electrical charge readout region changes in the readout pulse applied to the first photoelectric conversion element and the second photoelectric conversion element according to the imaging scene. Including an exposure time control pulse.

本発明の固体撮像素子は、前記露光時間制御パルスが、前記光電変換素子にその露光時間制御パルスの前までに蓄積された電荷を前記垂直転送チャネルを介して外部に掃き出すためのものであるものを含む。本発明によれば、第1光電変換素子又は第2光電変換素子の少なくとも一方の電荷蓄積開始時点を制御することができるので、両画像信号の感度比を制御することができる。   The solid-state imaging device according to the present invention is such that the exposure time control pulse sweeps out charges accumulated in the photoelectric conversion device before the exposure time control pulse to the outside through the vertical transfer channel. including. According to the present invention, since the charge accumulation start time of at least one of the first photoelectric conversion element and the second photoelectric conversion element can be controlled, the sensitivity ratio between the two image signals can be controlled.

本発明の固体撮像素子は、前記露光時間制御パルスが、前記光電変換素子にその露光時間制御パルスの前までに蓄積された電荷を前記信号電荷として前記垂直転送チャネルに読み出すためのものであるものを含む。本発明によれば、第1光電変換素子又は第2光電変換素子の少なくとも一方の電荷蓄積終了時点を制御することができるので、両画像信号の感度比を制御することができる。   In the solid-state imaging device of the present invention, the exposure time control pulse is used for reading out the charge accumulated in the photoelectric conversion element before the exposure time control pulse as the signal charge to the vertical transfer channel. including. According to the present invention, since the charge accumulation end time of at least one of the first photoelectric conversion element and the second photoelectric conversion element can be controlled, the sensitivity ratio between the two image signals can be controlled.

本発明の固体撮像素子は、同一の位置関係で隣接する前記第1光電変換素子及び前記第2光電変換素子は、同一の相対分光感度特性を有するものであるものを含む。   The solid-state imaging device of the present invention includes one in which the first photoelectric conversion device and the second photoelectric conversion device which are adjacent to each other in the same positional relationship have the same relative spectral sensitivity characteristics.

本発明の撮像装置は、上記した固体撮像素子を備える撮像装置であって、前記第1光電変換素子の露光時間と前記第2光電変換素子の露光時間を変更する露光時間制御部と、前記固体撮像素子から出力される撮像信号に基づく信号処理を行う信号処理部を備え、前記信号処理部が行う信号処理は、前記第1光電変換素子からの信号に基づく高感度画像信号と前記第2光電変換素子からの信号に基づく低感度撮像信号との合成信号を生成する合成処理を含み、前記露光時間制御部は、撮影シーンの種別を判別し、判別したシーンの種別に応じて前記第1光電変換素子と前記第2光電変換素子から前記垂直転送チャネルへの電荷読み出しタイミングを変更することによって、前記第1光電変換素子の露光時間と前記第2光電変換素子の露光時間を変更するものである。   The imaging device of the present invention is an imaging device including the above-described solid-state imaging element, and an exposure time control unit that changes an exposure time of the first photoelectric conversion element and an exposure time of the second photoelectric conversion element; and the solid state A signal processing unit configured to perform signal processing based on an imaging signal output from the imaging device, wherein the signal processing performed by the signal processing unit includes a high-sensitivity image signal based on a signal from the first photoelectric conversion device and the second photoelectric signal; The exposure time control unit discriminates the type of the shooting scene, and determines the type of the first photoelectric according to the determined type of the scene, including a synthesis process for generating a synthesized signal with the low-sensitivity imaging signal based on the signal from the conversion element. By changing the charge readout timing from the conversion element and the second photoelectric conversion element to the vertical transfer channel, the exposure time of the first photoelectric conversion element and the exposure time of the second photoelectric conversion element are changed. Is intended to further.

本発明によれば、撮影シーンに応じて高感度画像信号と低感度画像信号との感度比を変更することができるので、広ダイナミックレンジの良好な画像を得ることができる。   According to the present invention, since the sensitivity ratio between the high-sensitivity image signal and the low-sensitivity image signal can be changed according to the shooting scene, it is possible to obtain an image with a wide wide dynamic range.

本発明の撮像装置は、前記露光時間制御部が、撮影シーンの輝度分布を求め、求めた輝度分布に基づいて撮影シーンの種別を判別するものであるものを含む。   The image pickup apparatus of the present invention includes one in which the exposure time control unit obtains a luminance distribution of a photographic scene and determines the type of the photographic scene based on the obtained luminance distribution.

以上の説明から明らかなように、本発明によれば、高感度画素と低感度画素の感度比を、変化させることができる固体撮像素子を提供することができる。また、撮影シーンに応じてダイナミックレンジを変化させることができる撮像装置を提供することができる。   As is clear from the above description, according to the present invention, it is possible to provide a solid-state imaging device capable of changing the sensitivity ratio between a high-sensitivity pixel and a low-sensitivity pixel. In addition, it is possible to provide an imaging apparatus capable of changing the dynamic range according to the shooting scene.

以下、本発明の実施の形態について、図面を用いて説明する。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.

(第1の実施の形態)
図1に、本発明の第1の実施の形態の固体撮像素子の概略構成を示す。図1の固体撮像素子100は、半導体基板表面に行方向(図1のX方向)とこれに直交する列方向(図1のY方向)に正方格子状に配設された複数の光電変換素子150、160(図1では、一部にのみ符号を付してある。以下、「画素」と記述する場合もある。)によって、光強度を電荷信号に変換し蓄積するものであり、光電変換素子150、160からの電荷を列方向に転送する垂直転送部110(図1では、一部にのみ符号を付してある。)と、垂直転送部110からの電荷を行方向に転送する水平転送部120と、水平転送部120によって転送される電荷に応じた信号141を出力する出力部140を含むものである。
(First embodiment)
FIG. 1 shows a schematic configuration of the solid-state imaging device according to the first embodiment of the present invention. 1 includes a plurality of photoelectric conversion elements arranged in a square lattice pattern in a row direction (X direction in FIG. 1) and a column direction (Y direction in FIG. 1) perpendicular to the row direction on the surface of a semiconductor substrate. 150 and 160 (in FIG. 1, only a part of the reference numerals are attached. Hereinafter, the pixel may be described as “pixel”), the light intensity is converted into a charge signal and accumulated. A vertical transfer unit 110 that transfers charges from the elements 150 and 160 in the column direction (in FIG. 1, only a part thereof is labeled), and a horizontal transfer unit that transfers charges from the vertical transfer unit 110 in the row direction. A transfer unit 120 and an output unit 140 that outputs a signal 141 corresponding to the charges transferred by the horizontal transfer unit 120 are included.

第1光電変換素子150は、相対的に高感度の画像信号を得るための信号電荷を蓄積するもので、市松状に配置されている。また、第2光電変換素子160は、相対的に低感度の画像信号を得るための信号電荷を蓄積するもので、第1光電変換素子150が配置されていない位置に市松状に配置されている。第1光電変換素子150は、第2光電変換素子160より高い光電変換感度を有する。光電変換感度を変化させるには、光電変換素子の受光面の面積を変化させてもよいし、光電変換素子上方に設けたマイクロレンズによって、集光面積を変化させてもよい。これらの方法は、いずれも周知であるので説明を省略する。なお、図1の例では、素子の面積効率を考慮して第1光電変換素子150と第2光電変換素子160とで光電変換感度に差を設けているが、同一の光電変換感度であってもよい。同一の光電変換感度とすると、設計及び製造が簡単になる。   The first photoelectric conversion element 150 accumulates signal charges for obtaining a relatively high sensitivity image signal, and is arranged in a checkered pattern. The second photoelectric conversion element 160 accumulates signal charges for obtaining a relatively low-sensitivity image signal, and is arranged in a checkered pattern at a position where the first photoelectric conversion element 150 is not arranged. . The first photoelectric conversion element 150 has a higher photoelectric conversion sensitivity than the second photoelectric conversion element 160. In order to change the photoelectric conversion sensitivity, the area of the light receiving surface of the photoelectric conversion element may be changed, or the condensing area may be changed by a microlens provided above the photoelectric conversion element. Since these methods are all well-known, description is abbreviate | omitted. In the example of FIG. 1, a difference is provided in photoelectric conversion sensitivity between the first photoelectric conversion element 150 and the second photoelectric conversion element 160 in consideration of the area efficiency of the element. Also good. If the photoelectric conversion sensitivity is the same, the design and manufacture are simplified.

また、図1の固体撮像素子100は、カラー画像信号を検出するために、第1光電変換素子150及び第2光電変換素子160の上方にカラーフィルタ(図示せず)を有する。カラーフィルタの配列方法は任意であるが、同一の位置関係で隣接する第1光電変換素子150及び第2光電変換素子160は、同一の色とする。図1では、R(赤)、G(緑)、B(青)の3色のカラーフィルタを備えており、それぞれ、赤色光、緑色光、青色光に対応する電荷を蓄積する。   1 has a color filter (not shown) above the first photoelectric conversion element 150 and the second photoelectric conversion element 160 in order to detect a color image signal. The arrangement method of the color filters is arbitrary, but the first photoelectric conversion element 150 and the second photoelectric conversion element 160 that are adjacent to each other in the same positional relationship have the same color. In FIG. 1, three color filters of R (red), G (green), and B (blue) are provided, and charges corresponding to red light, green light, and blue light are accumulated.

垂直転送部110は、第1光電変換素子150及び第2光電変換素子160からの電荷を列方向に転送するもので、半導体基板に形成された複数本の垂直転送チャネル(図示せず)、垂直転送チャネルの上層に形成された複数本の垂直転送電極111〜113、第1光電変換素子150及び第2光電変換素子160の電荷を垂直転送チャネルに読み出す第1電荷読み出し領域151及び第2電荷読み出し領域161(図1では、模式的に矢印で示してある。)を含む。   The vertical transfer unit 110 transfers charges from the first photoelectric conversion element 150 and the second photoelectric conversion element 160 in the column direction, and includes a plurality of vertical transfer channels (not shown) formed on the semiconductor substrate. A first charge readout region 151 and a second charge readout for reading out the charges of the plurality of vertical transfer electrodes 111 to 113, the first photoelectric conversion element 150 and the second photoelectric conversion element 160 formed in the upper layer of the transfer channel to the vertical transfer channel. A region 161 (shown schematically by an arrow in FIG. 1) is included.

垂直転送チャネルは、第1光電変換素子150及び第2光電変換素子160の側方に列方向に延在する一定幅の直線状領域であり、その上層に形成された垂直転送電極111〜113によって、電荷が蓄積され、転送される領域が区分される。垂直転送電極111〜113は、第1光電変換素子150及び第2光電変換素子160それぞれに対応して3つ設けられ(図1では、1行分の光電変換素子に対応するもののみに符合を付してある。)、同一行の光電変換素子の同一の位置関係にある垂直転送電極は、電極配線121〜123(図1では、1行分の光電変換素子に対応するもののみに符合を付してある。)によって電気的に接続されている。垂直転送電極111〜113は、多結晶シリコン等で形成される。   The vertical transfer channel is a linear region having a constant width extending in the column direction to the side of the first photoelectric conversion element 150 and the second photoelectric conversion element 160, and is formed by vertical transfer electrodes 111 to 113 formed thereon. The area where charges are accumulated and transferred is divided. Three vertical transfer electrodes 111 to 113 are provided corresponding to each of the first photoelectric conversion element 150 and the second photoelectric conversion element 160 (in FIG. 1, only those corresponding to one row of photoelectric conversion elements are matched. The vertical transfer electrodes having the same positional relationship between the photoelectric conversion elements in the same row are only connected to the electrode wirings 121 to 123 (in FIG. 1, corresponding to the photoelectric conversion elements for one row). Are electrically connected. The vertical transfer electrodes 111 to 113 are made of polycrystalline silicon or the like.

垂直転送電極111〜113には、端子131〜133を介して3相の垂直転送パルスが印加され、垂直転送チャネルの電荷が列方向に転送される。垂直転送パルスは、垂直転送部110と水平転送部120の間の転送電極114〜116にも印加され、垂直転送パルスの1周期毎に、1行分の第1光電変換素子150及び第2光電変換素子160で検出された電荷が、水平転送部120に送られる。   Three-phase vertical transfer pulses are applied to the vertical transfer electrodes 111 to 113 via the terminals 131 to 133, and charges in the vertical transfer channel are transferred in the column direction. The vertical transfer pulse is also applied to the transfer electrodes 114 to 116 between the vertical transfer unit 110 and the horizontal transfer unit 120, and for each period of the vertical transfer pulse, the first photoelectric conversion element 150 and the second photoelectric transfer for one row. The charges detected by the conversion element 160 are sent to the horizontal transfer unit 120.

第1電荷読み出し領域151は、垂直転送電極111に対応する位置に設けられ、第1光電変換素子150から垂直転送チャネルへの電荷読み出しは、端子131に印加される第1相の垂直転送パルスに読み出しパルスを重畳させることによって行う。また、第2電荷読み出し領域161は、垂直転送電極112に対応する位置に設けられ、第2光電変換素子160から垂直転送チャネルへの電荷読み出しは、端子132に印加される第2相の垂直転送パルスに読み出しパルスを重畳させることによって行う。したがって、第1光電変換素子150からの垂直転送チャネルへの電荷読み出しタイミングと、第2光電変換素子160からの垂直転送チャネルへの電荷読み出しタイミングとを独立に制御することができる。   The first charge readout region 151 is provided at a position corresponding to the vertical transfer electrode 111, and charge readout from the first photoelectric conversion element 150 to the vertical transfer channel is performed by a first-phase vertical transfer pulse applied to the terminal 131. This is done by superimposing the readout pulse. The second charge readout region 161 is provided at a position corresponding to the vertical transfer electrode 112, and charge readout from the second photoelectric conversion element 160 to the vertical transfer channel is performed by the second phase vertical transfer applied to the terminal 132. This is done by superimposing a readout pulse on the pulse. Therefore, the charge read timing from the first photoelectric conversion element 150 to the vertical transfer channel and the charge read timing from the second photoelectric conversion element 160 to the vertical transfer channel can be controlled independently.

水平転送部120は、垂直転送部110からの電荷を、行方向に転送するものであり、水平転送チャネル及び水平転送電極(いずれも図示せず)を含む。水平転送電極には、端子134、135を介して2相の水平転送パルスが印加され、垂直転送部110から転送された、1行分の光電変換素子150、160の信号電荷が、出力部140に転送される。出力部140は、フローティングデフュージョンアンプ構成となっており、転送された電荷に対応する電圧信号141が出力される。   The horizontal transfer unit 120 transfers charges from the vertical transfer unit 110 in the row direction, and includes a horizontal transfer channel and a horizontal transfer electrode (both not shown). Two-phase horizontal transfer pulses are applied to the horizontal transfer electrodes via the terminals 134 and 135, and the signal charges of the photoelectric conversion elements 150 and 160 for one row transferred from the vertical transfer unit 110 are output to the output unit 140. Forwarded to The output unit 140 has a floating diffusion amplifier configuration, and a voltage signal 141 corresponding to the transferred charge is output.

また、図1の固体撮像素子100は、光電変換素子150、160に蓄積された電荷を掃き出すオーバーフロードレイン領域(図示せず)を有しており、オーバーフロードレイン電極端子136に、掃き出しパルスを印加すると、光電変換素子150、160に蓄積された電荷が半導体基板に掃き出される。オーバーフロードレイン電極端子136には、レリーズボタンの操作に応答して所定のタイミングでパルスが印加され、光電変換素子150、160の電荷蓄積時間が制御される。   1 has an overflow drain region (not shown) that sweeps out the electric charges accumulated in the photoelectric conversion elements 150 and 160. When a sweep pulse is applied to the overflow drain electrode terminal 136, the solid-state imaging device 100 in FIG. The charges accumulated in the photoelectric conversion elements 150 and 160 are swept out to the semiconductor substrate. A pulse is applied to overflow drain electrode terminal 136 at a predetermined timing in response to the operation of the release button, and the charge accumulation time of photoelectric conversion elements 150 and 160 is controlled.

なお、図1では記載していないが、垂直転送チャネルの間には、チャネルストップが形成される。また、図1では、垂直転送電極111〜113を第1光電変換素子150及び第2光電変換素子160に比べて大きく示しているが、実際には、もっと小さい。   Although not shown in FIG. 1, channel stops are formed between the vertical transfer channels. In FIG. 1, the vertical transfer electrodes 111 to 113 are shown larger than the first photoelectric conversion element 150 and the second photoelectric conversion element 160, but are actually smaller.

図2は、本発明の実施の形態のデジタルカメラの概略構成を示す図である。図2のデジタルカメラは、撮像部1、アナログ信号処理部2、A/D変換部3、駆動部4、ストロボ5、デジタル信号処理部6、圧縮/伸張処理部7、表示部8、システム制御部9、内部メモリ10、メディアインタフェース11、記録メディア12、操作部13を含んで構成される。デジタル信号処理部6、圧縮/伸張処理部7、表示部8、システム制御部9、内部メモリ10、及びメディアインタフェース11は、システムバス20に接続されている。   FIG. 2 is a diagram showing a schematic configuration of the digital camera according to the embodiment of the present invention. The digital camera in FIG. 2 includes an imaging unit 1, an analog signal processing unit 2, an A / D conversion unit 3, a driving unit 4, a strobe 5, a digital signal processing unit 6, a compression / expansion processing unit 7, a display unit 8, and system control. A unit 9, an internal memory 10, a media interface 11, a recording medium 12, and an operation unit 13. The digital signal processing unit 6, compression / decompression processing unit 7, display unit 8, system control unit 9, internal memory 10, and media interface 11 are connected to a system bus 20.

撮像部1は、撮影レンズ1a等の光学系及び図1に示す固体撮像素子100を含み、被写体の撮影を行うものであって、アナログの撮像信号を出力する。撮像部1で得られた撮像信号は、アナログ信号処理部2に送られ、所定のアナログ信号処理が施され、A/D変換部3でデジタル信号に変換された後、いわゆるRAW画像データとしてデジタル信号処理部6に送られる。RAW画像データは、撮像部1からの撮像信号の形式のままデジタル化したデジタル画像データである。   The imaging unit 1 includes an optical system such as a photographic lens 1a and the solid-state imaging device 100 shown in FIG. 1, and shoots a subject, and outputs an analog imaging signal. An imaging signal obtained by the imaging unit 1 is sent to the analog signal processing unit 2, subjected to predetermined analog signal processing, converted into a digital signal by the A / D conversion unit 3, and then digitally converted as so-called RAW image data. It is sent to the signal processing unit 6. The RAW image data is digital image data that has been digitized in the form of the imaging signal from the imaging unit 1.

撮影に際しては、駆動部4を介して撮像部1が制御される。固体撮像素子100は、入射光に対応して発生し、蓄積された信号電荷に基づいたアナログ電圧信号を出力するものである。固体撮像素子100は、操作部13の一部であるレリーズボタン(図示せず)の操作によるレリーズスイッチ(図示せず)オンを契機として、所定のタイミングで、駆動部4に含まれるタイミングジェネレータ(図2ではTGと記載)からの駆動信号によって駆動される。駆動部4は、システム制御部9の制御に基づいて所定の駆動信号を出力するものであり、メカニカルシャッタ1bの駆動信号、アナログ信号処理部2及びA/D変換部3に対する駆動信号も出力する。   When shooting, the imaging unit 1 is controlled via the drive unit 4. The solid-state imaging device 100 outputs an analog voltage signal generated in response to incident light and based on the accumulated signal charge. The solid-state imaging device 100 has a timing generator (not shown) included in the drive unit 4 at a predetermined timing when a release switch (not shown) is turned on by operating a release button (not shown) that is a part of the operation unit 13. 2 is driven by a drive signal from TG). The drive unit 4 outputs a predetermined drive signal based on the control of the system control unit 9, and also outputs a drive signal for the mechanical shutter 1b, a drive signal for the analog signal processing unit 2 and the A / D conversion unit 3. .

ストロボ5は、被写体の輝度が所定値以下の場合等に動作するものであり、システム制御部9によって制御される。   The strobe 5 operates when the brightness of the subject is equal to or lower than a predetermined value, and is controlled by the system control unit 9.

デジタル信号処理部6は、A/D変換部3からのデジタル画像データに対して、操作部13によって設定された動作モードに応じたデジタル信号処理を行うものである。デジタル信号処理部6が行う処理には、黒レベル補正処理(OB処理)、リニアマトリクス補正処理(撮像部からの原色信号に対して、撮像素子の光電変換特性に起因する混色成分を除去する補正を行う処理。RBG入力に対する3×3のマトリクス演算による。)、ホワイトバランス調整処理(ゲイン調整)、ガンマ補正処理、画像合成処理、同時化処理、Y/C変換処理等が含まれる。デジタル信号処理部6の画像合成処理については、後述する。   The digital signal processing unit 6 performs digital signal processing on the digital image data from the A / D conversion unit 3 according to the operation mode set by the operation unit 13. The processing performed by the digital signal processing unit 6 includes black level correction processing (OB processing), linear matrix correction processing (correction that removes the color mixture component caused by the photoelectric conversion characteristics of the imaging element with respect to the primary color signal from the imaging unit. And a white balance adjustment process (gain adjustment), a gamma correction process, an image composition process, a synchronization process, a Y / C conversion process, and the like. The image composition processing of the digital signal processing unit 6 will be described later.

デジタル信号処理部6は、例えばDSPで構成される。圧縮/伸張処理部7は、デジタル信号処理部6で得られたY/Cデータに対して圧縮処理を施すとともに、記録メディア12から得られた圧縮画像データに対して伸張処理を施すものである。   The digital signal processing unit 6 is configured by a DSP, for example. The compression / decompression processing unit 7 performs compression processing on the Y / C data obtained by the digital signal processing unit 6 and also performs decompression processing on the compressed image data obtained from the recording medium 12. .

表示部8は、例えばLCD表示装置を含んで構成され、撮影され、デジタル信号処理を経た画像データに基づく画像を表示する。記録メディアに記録された圧縮画像データを伸張処理して得た画像データに基づく画像の表示も行う。また、撮影時のスルー画像、デジタルカメラの各種状態、操作に関する情報の表示等も可能である。   The display unit 8 includes, for example, an LCD display device, and displays an image based on image data that has been shot and has undergone digital signal processing. An image is also displayed based on the image data obtained by decompressing the compressed image data recorded on the recording medium. It is also possible to display a through image at the time of shooting, various states of the digital camera, information on operations, and the like.

内部メモリ10は、例えばDRAMであり、デジタル信号処理部6、システム処理部9のワークメモリとして利用される他、記録メディアに12に記録される撮影画像データを一時的に記憶するバッファメモリ、表示部8への表示画像データのバッファメモリとしても利用される。メディアインタフェース11は、メモリカード等の記録メディア12との間のデータの入出力を行うものである。   The internal memory 10 is, for example, a DRAM and is used as a work memory for the digital signal processing unit 6 and the system processing unit 9, as well as a buffer memory that temporarily stores captured image data recorded on the recording medium 12, and a display It is also used as a buffer memory for display image data to the unit 8. The media interface 11 inputs / outputs data to / from a recording medium 12 such as a memory card.

システム制御部9は、撮影動作を含むデジタルカメラ全体の制御を行う。システム制御部9は、具体的には所定のプログラムによって動作するプロセッサを主体に構成される。システム制御部9が行う処理には、撮影シーンの種別を判別するシーン判別処理、判別したシーンの種別に応じて第1光電変換素子又は第2光電変換素子から垂直転送チャネルへの電荷読み出しタイミングを変更し、第1光電変換素子の露光時間又は第2光電変換素子の露光時間を変更する露光時間制御処理が含まれる。   The system control unit 9 controls the entire digital camera including shooting operations. Specifically, the system control unit 9 is mainly configured by a processor that operates according to a predetermined program. The processing performed by the system control unit 9 includes scene discrimination processing for discriminating the type of shooting scene, and charge readout timing from the first photoelectric conversion element or the second photoelectric conversion element to the vertical transfer channel according to the determined scene type. The exposure time control process which changes and changes the exposure time of a 1st photoelectric conversion element or the exposure time of a 2nd photoelectric conversion element is contained.

操作部13は、デジタルカメラ使用時の各種操作を行うもので、デジタルカメラの動作モード(撮影モード、再生モード等)、撮影時の撮影方法、撮影条件、設定等を行う。操作部13は、それぞれの機能に対応する操作部材を設けてもよいが、表示部8の表示と連動して操作部材を共用してもよい。また、操作部13には、撮影動作を起動するためのレリーズボタンも含まれる。   The operation unit 13 performs various operations when using the digital camera, and performs an operation mode (shooting mode, playback mode, etc.) of the digital camera, a shooting method at the time of shooting, shooting conditions, settings, and the like. The operation unit 13 may be provided with an operation member corresponding to each function, but may share the operation member in conjunction with the display of the display unit 8. The operation unit 13 also includes a release button for starting a shooting operation.

次に、固体撮像素子100の駆動について説明する。図3に、固体撮像素子100の駆動を説明するためのタイミングチャートを示す。図3には、垂直同期信号VD、端子136に印加されるオーバーフロードレインパルス(以下「OFDパルス」と記述する。)φOFD、端子131に印加される駆動パルスφV1、端子132に印加される駆動パルスφV2、端子133に印加される駆動パルスφV3、出力信号VOUT、メカニカルシャッタの開閉状態が示されている。この例では、第1光電変換素子150と第2光電変換素子160の光電変換感度が4:1に形成されており、システム制御部9のシーン判別処理により、高感度画像信号と低感度画像信号の感度比を16:1として画像信号を取得するように設定された場合を示す。 Next, driving of the solid-state imaging device 100 will be described. FIG. 3 shows a timing chart for explaining the driving of the solid-state imaging device 100. In FIG. 3, the vertical synchronization signal VD, the overflow drain pulse (hereinafter referred to as “OFD pulse”) φOFD applied to the terminal 136, the drive pulse φ V1 applied to the terminal 131, and the terminal 132 are applied. The driving pulse φ V2 , the driving pulse φ V3 applied to the terminal 133, the output signal V OUT , and the open / close state of the mechanical shutter are shown. In this example, the photoelectric conversion sensitivities of the first photoelectric conversion element 150 and the second photoelectric conversion element 160 are formed at 4: 1, and the high sensitivity image signal and the low sensitivity image signal are obtained by the scene determination process of the system control unit 9. In this case, the sensitivity ratio is set to 16: 1 so as to acquire an image signal.

操作部13のレリーズボタン(図示せず)を押すと、露出値の設定、オートフォーカス制御が行われた後、時刻t1で、OFDパルスφOFDが端子136に印加され、第1光電変換素子150及び第2光電変換素子160にそれまで蓄積されていた電荷が掃き出される。そして、入射光に応じた電荷の蓄積を開始する。この間、端子131〜133には第1〜3相の垂直転送パルスが周期的に印加されるが、時刻t2で、第2相の垂直転送パルスに第2光電変換素子160から垂直転送チャネルへの電荷読み出しを指示する読み出しパルス161bが重畳される。この読み出しパルス161bは、第2光電変換素子160の露光時間を第1光電変換素子150の露光時間に対して変化させるための露光時間制御パルスであり、時刻t2で第2光電変換素子160の蓄積電荷は再び掃き出される。したがって、第2光電変換素子160は、時刻t2から再度電荷の蓄積を開始することになる。 When a release button (not shown) of the operation unit 13 is pressed, an exposure value is set and autofocus control is performed. Then, at time t1, an OFD pulse φ OFD is applied to the terminal 136, and the first photoelectric conversion element 150 is applied. In addition, the charges accumulated in the second photoelectric conversion element 160 are swept out. Then, charge accumulation according to the incident light is started. During this time, the first to third phase vertical transfer pulses are periodically applied to the terminals 131 to 133, but at time t2, the second phase vertical transfer pulse is transferred to the vertical transfer channel from the second photoelectric conversion element 160. A readout pulse 161b for instructing charge readout is superimposed. The readout pulse 161b is an exposure time control pulse for changing the exposure time of the second photoelectric conversion element 160 with respect to the exposure time of the first photoelectric conversion element 150, and is accumulated in the second photoelectric conversion element 160 at time t2. The charge is swept out again. Therefore, the second photoelectric conversion element 160 starts to accumulate charges again from time t2.

この例では、第1光電変換素子150及び第2光電変換素子160の露光時間を同じにすると、高感度画像信号と低感度画像信号の感度比が4:1になるので、高感度画像信号と低感度画像信号の感度比を16:1とするために、第2光電変換素子の露光時間を第1光電変換素子150の露光時間の1/4とする。すなわち、第1光電変換素子150の露光時間は、時刻t1からメカニカルシャッタが閉となる時刻t3までの時間であるので、時刻t2は、時刻t2から時刻t3までの時間が、時刻t1から時刻t3までの時間の1/4となるように決定される。   In this example, if the exposure times of the first photoelectric conversion element 150 and the second photoelectric conversion element 160 are the same, the sensitivity ratio of the high-sensitivity image signal and the low-sensitivity image signal becomes 4: 1. In order to set the sensitivity ratio of the low-sensitivity image signal to 16: 1, the exposure time of the second photoelectric conversion element is set to ¼ of the exposure time of the first photoelectric conversion element 150. That is, since the exposure time of the first photoelectric conversion element 150 is the time from time t1 to time t3 when the mechanical shutter is closed, the time from time t2 to time t3 is the time from time t2 to time t3. It is determined to be 1/4 of the time until.

時刻t3でメカニカルシャッタが閉となると、第1光電変換素子150及び第2光電変換素子160の電荷蓄積が停止する。この時点で、第1光電変換素子150及び第2光電変換素子160には、16:1の信号電荷が蓄積されている。ただし、この値は第1光電変換素子150及び第2光電変換素子160の飽和蓄積量を越えない場合であり、実際には第1光電変換素子150については、飽和蓄積電荷量を超えている場合が多いので、実際の電荷蓄積量は異なる。   When the mechanical shutter is closed at time t3, the charge accumulation of the first photoelectric conversion element 150 and the second photoelectric conversion element 160 is stopped. At this time, 16: 1 signal charges are accumulated in the first photoelectric conversion element 150 and the second photoelectric conversion element 160. However, this value is a case where the saturation accumulation amount of the first photoelectric conversion element 150 and the second photoelectric conversion element 160 is not exceeded, and actually, the case where the saturation accumulation charge amount is exceeded for the first photoelectric conversion element 150. Therefore, the actual charge accumulation amount is different.

その後、時刻t4で、垂直転送チャネルに残っている電荷を掃き出すため、通常動作時のものと比較して充分高い周波数の垂直転送パルスの印加を開始する。高速の垂直転送パルスが時刻t5まで印加されると、垂直転送チャネル内には電荷がほぼない状態となる。   After that, at time t4, in order to sweep out the charge remaining in the vertical transfer channel, application of a vertical transfer pulse having a frequency sufficiently higher than that in the normal operation is started. When the high-speed vertical transfer pulse is applied until time t5, there is almost no charge in the vertical transfer channel.

高速の垂直転送パルスの印加を停止した後、時刻t6で、第1相の垂直転送パルスに第1相読み出しパルス151aを重畳し、第2相の垂直転送パルスに第2相読み出しパルス161aを重畳する。なお、第1相読み出しパルス151aと第2相読み出しパルス161aとは、同一周期の垂直転送パルスに重畳されるもので、厳密には同時刻ではない。   After stopping the application of the high-speed vertical transfer pulse, at time t6, the first-phase read pulse 151a is superimposed on the first-phase vertical transfer pulse, and the second-phase read pulse 161a is superimposed on the second-phase vertical transfer pulse. To do. Note that the first phase readout pulse 151a and the second phase readout pulse 161a are superimposed on the vertical transfer pulse having the same cycle, and are not strictly the same time.

第1相読み出しパルス151a及び第2相読み出しパルス161aが印加されると、垂直転送チャネルには、第1光電変換素子150及び第2光電変換素子160に蓄積された信号電荷が読み出される。そして、通常の周波数の垂直転送パルスによって転送され、1行分の信号電荷が水平転送部120に転送されると、水平転送パルス(図示せず)によって水平転送され、出力部140に送られ、出力信号VOUTとしてアナログ信号処理部2に送られる。このような転送は、垂直転送チャネルに読み出された全ての信号電荷が出力部140に送られるまで繰り返される。 When the first phase readout pulse 151a and the second phase readout pulse 161a are applied, the signal charges accumulated in the first photoelectric conversion element 150 and the second photoelectric conversion element 160 are read out to the vertical transfer channel. When the signal charge for one row is transferred to the horizontal transfer unit 120 by the vertical transfer pulse of the normal frequency, it is transferred horizontally by the horizontal transfer pulse (not shown) and sent to the output unit 140. The output signal V OUT is sent to the analog signal processing unit 2. Such transfer is repeated until all the signal charges read out to the vertical transfer channel are sent to the output unit 140.

なお、出力信号VOUTは、時刻t6で垂直転送チャネルに読み出された信号電荷が出力される時刻t7までは、不要な信号であるので、時刻t6で垂直転送チャネルに読み出された信号電荷が水平転送部に転送されるまでの水平転送パルスを停止し、水平転送部120に設けたドレイン部から掃き出してもよい。 The output signal V OUT is an unnecessary signal until the time t7 when the signal charge read out to the vertical transfer channel at time t6 is output, so the signal charge read out to the vertical transfer channel at time t6. The horizontal transfer pulse until the signal is transferred to the horizontal transfer unit may be stopped and swept out from the drain unit provided in the horizontal transfer unit 120.

次に、デジタル信号処理部6の画像合成処理について説明する。デジタル信号処理部6は、第1光電変換素子150の蓄積電荷に基づく高感度画像データと第2光電変換素子160の蓄積電荷に低感度画像データに対して、別々にOB処理、リニアマトリクス補正処理、ホワイトバランス調整処理、ガンマ補正処理を行ったあと、同一の相対分光感度特性を有し、同一の位置関係で隣接する第1光電変換素子150と第2光電変換素子160の画像データを合成する。合成方法の一例を(1)式に示す。   Next, the image composition processing of the digital signal processing unit 6 will be described. The digital signal processing unit 6 separately performs OB processing and linear matrix correction processing on high-sensitivity image data based on the accumulated charge of the first photoelectric conversion element 150 and low-sensitivity image data on the accumulated charge of the second photoelectric conversion element 160. After the white balance adjustment process and the gamma correction process, the image data of the first photoelectric conversion element 150 and the second photoelectric conversion element 160 that have the same relative spectral sensitivity characteristics and are adjacent in the same positional relationship are synthesized. . An example of the synthesis method is shown in equation (1).

Sc=αSH+(1−α)SL (1)   Sc = αSH + (1−α) SL (1)

ここで、Scは合成信号であり、SH及びSLは、高感度画像データ及び低感度画像データである。カラー画像の場合は、赤色、緑色、青色毎に求められる。αは合成比率を決定する係数であり、0<α<1に設定される。α値は、撮影シーンに応じて定められる。   Here, Sc is a composite signal, and SH and SL are high-sensitivity image data and low-sensitivity image data. In the case of a color image, it is obtained for each of red, green, and blue. α is a coefficient for determining the synthesis ratio, and is set to 0 <α <1. The α value is determined according to the shooting scene.

以上の説明では、第1光電変換素子150と第2光電変換素子160の光電変換感度が4:1に形成されているものとしたが、4:1に限定されるものではなく同一の光電変換感度であってもよい。どのような光電変換感度比であっても、露光時間制御パルスである読み出しパルス161bを重畳するタイミングを制御することによって、高感度画像データと低感度画像データの感度比を制御することができる。   In the above description, the photoelectric conversion sensitivity of the first photoelectric conversion element 150 and the second photoelectric conversion element 160 is assumed to be 4: 1. However, the photoelectric conversion sensitivity is not limited to 4: 1 and is the same photoelectric conversion. Sensitivity may be used. Regardless of the photoelectric conversion sensitivity ratio, the sensitivity ratio between the high-sensitivity image data and the low-sensitivity image data can be controlled by controlling the timing at which the readout pulse 161b that is the exposure time control pulse is superimposed.

また、露光時間時間制御パルスを第1相の垂直転送パルスに重畳して、第1光電変換素子150の露光時間を変化させてもよい。この場合は、第1光電変換素子150と第2光電変換素子160の光電変換感度の比を充分大きくしておく(必要とする画像信号の最大感度比以上である必要がある。)ことが好ましい。   Further, the exposure time of the first photoelectric conversion element 150 may be changed by superimposing the exposure time control pulse on the first-phase vertical transfer pulse. In this case, it is preferable that the ratio of the photoelectric conversion sensitivities of the first photoelectric conversion element 150 and the second photoelectric conversion element 160 is sufficiently large (it is necessary to be equal to or greater than the maximum sensitivity ratio of the required image signal). .

露光時間時間制御パルスを第1相の垂直転送パルスに重畳する場合の固体撮像素子100の駆動について説明する。図4に、その場合の固体撮像素子100の駆動を説明するためのタイミングチャートを示す。図4には、図3と同様、垂直同期信号VD、端子136に印加されるOFDパルスφOFD、端子131に印加される駆動パルスφV1、端子132に印加される駆動パルスφV2、端子133に印加される駆動パルスφV3、出力信号VOUT、メカニカルシャッタの開閉状態が示されている。 The driving of the solid-state imaging device 100 when the exposure time control pulse is superimposed on the first-phase vertical transfer pulse will be described. FIG. 4 shows a timing chart for explaining the driving of the solid-state imaging device 100 in that case. 4, as in FIG. 3, the vertical synchronization signal VD, the OFD pulse φ OFD applied to the terminal 136, the drive pulse φ V1 applied to the terminal 131, the drive pulse φ V2 applied to the terminal 132, and the terminal 133. The driving pulse φ V3 applied to the output signal V OUT , the open / close state of the mechanical shutter are shown.

図4における時刻t11、t13〜t17は、図3における時刻t1、t3〜t7と同様のタイミングであるので、説明を省略する。時刻t12は、読み出しパルス151bを第1相の垂直転送パルスに重畳するタイミングであり、時刻t12で第1光電変換素子150の蓄積電荷は再び掃き出される。したがって、第1光電変換素子150は、時刻t12から再度電荷の蓄積を開始することになる。この場合、読み出しパルス151bは、第1光電変換素子150の露光時間を第2光電変換素子160の露光時間に対して変化させるための露光時間制御パルスである。   The times t11 and t13 to t17 in FIG. 4 are the same timings as the times t1 and t3 to t7 in FIG. Time t12 is the timing at which the readout pulse 151b is superimposed on the first-phase vertical transfer pulse, and the charge accumulated in the first photoelectric conversion element 150 is swept out again at time t12. Therefore, the first photoelectric conversion element 150 starts to accumulate charges again from time t12. In this case, the readout pulse 151 b is an exposure time control pulse for changing the exposure time of the first photoelectric conversion element 150 with respect to the exposure time of the second photoelectric conversion element 160.

読み出しパルス151bが重畳されない場合は、第1光電変換素子150と第2光電変換素子160の光電変換感度に一致する感度比の画像信号が得られるが、読み出しパルス151bを重畳し、その重畳時刻を遅らせるにしたがって、得られる画像信号の感度比を小さくすることができる。   When the readout pulse 151b is not superimposed, an image signal having a sensitivity ratio that matches the photoelectric conversion sensitivity of the first photoelectric conversion element 150 and the second photoelectric conversion element 160 is obtained, but the readout pulse 151b is superimposed and the superposition time is set. As the delay is made, the sensitivity ratio of the obtained image signal can be reduced.

図3及び図4に示すような固体撮像素子100の駆動においては、メカニカルシャッタの駆動が必要であるが、メカニカルシャッタがない場合、あるいは動画撮影時等にようにメカニカルシャッタを駆動しない場合の制御について説明する。図5に、その場合の固体撮像素子100の駆動を説明するためのタイミングチャートを示す。図4には、垂直同期信号VD、端子136に印加されるOFDパルスφOFD、端子131に印加される駆動パルスφV1、端子132に印加される駆動パルスφV2、端子133に印加される駆動パルスφV3、出力信号VOUTが示されている。 In driving the solid-state imaging device 100 as shown in FIGS. 3 and 4, it is necessary to drive the mechanical shutter, but control when the mechanical shutter is not driven or when the mechanical shutter is not driven as in moving image shooting or the like. Will be described. FIG. 5 shows a timing chart for explaining the driving of the solid-state imaging device 100 in that case. In FIG. 4, the vertical synchronization signal VD, the OFD pulse φ OFD applied to the terminal 136, the drive pulse φ V1 applied to the terminal 131, the drive pulse φ V2 applied to the terminal 132, and the drive applied to the terminal 133. A pulse φ V3 and an output signal V OUT are shown.

この例では、垂直同期信号に同期してOFDパルスφOFDが印加され、第1光電変換素子150及び第2光電変換素子160の電荷が掃き出され、入射光量に応じた電荷の蓄積を開始する。 In this example, an OFD pulse φ OFD is applied in synchronization with the vertical synchronization signal, the charges of the first photoelectric conversion element 150 and the second photoelectric conversion element 160 are swept out, and charge accumulation corresponding to the amount of incident light is started. .

第1光電変換素子150の読み出しパルス152b、152cは、垂直同期信号に同期して第1相の垂直転送パルスに重畳され、OFDパルスφOFD印加時(時刻t23、t26等)と読み出しパルス152b、152c重畳時(t22、t25等)との期間に、第1光電変換素子150に蓄積された電荷が垂直転送チャネルに読み出される。そして、次の読み出しパルス152b、152c重畳時までの期間に、順次水平転送部120に転送され、出力部140から出力される。 The readout pulses 152b and 152c of the first photoelectric conversion element 150 are superimposed on the first-phase vertical transfer pulse in synchronization with the vertical synchronization signal, and when the OFD pulse φ OFD is applied (time t23, t26, etc.) and the readout pulse 152b, During the period when 152c is superimposed (t22, t25, etc.), the charge accumulated in the first photoelectric conversion element 150 is read out to the vertical transfer channel. The signals are sequentially transferred to the horizontal transfer unit 120 and output from the output unit 140 during the period until the next readout pulses 152b and 152c are superimposed.

第2光電変換素子160の読み出しパルス162b、162cは、垂直同期信号VDの間の設定された時刻(この例では時刻t21、t24等)に第2相の垂直転送パルスに重畳され、OFDパルスφOFD印加時(時刻t23、t26等)と読み出しパルス162b、162c重畳時との期間に、第2光電変換素子160に蓄積された電荷が垂直転送チャネルに読み出される。そして、次の読み出しパルス162b、162c重畳時までの期間に、順次水平転送部120に転送され、出力部140から出力される。読み出しパルス162b、162cは、第2光電変換素子160の露光時間を制御するものである。 The readout pulses 162b and 162c of the second photoelectric conversion element 160 are superimposed on the vertical transfer pulse of the second phase at a set time (in this example, times t21 and t24) between the vertical synchronization signals VD, and the OFD pulse φ The charge accumulated in the second photoelectric conversion element 160 is read out to the vertical transfer channel during the period of time when the OFD is applied (time t23, t26, etc.) and when the readout pulses 162b and 162c are superimposed. The signals are sequentially transferred to the horizontal transfer unit 120 and output from the output unit 140 during the period until the next readout pulses 162b and 162c are superimposed. The read pulses 162b and 162c control the exposure time of the second photoelectric conversion element 160.

図5の例では、読み出しパルス152b重畳時(時刻t22)までに第1光電変換素子150に蓄積された電荷に応じた画像信号が、時刻t22bから時刻t25bまでの期間に出力され、OFDパルスφOFD印加時(時刻t23)から読み出しパルス152b重畳時(時刻t24)までに第2光電変換素子160に蓄積された電荷に応じた出力信号VOUTが、時刻t24cから時刻t27c(図示せず。図示しない読み出しパルス162dに対応する時刻)までの期間に出力される。 In the example of FIG. 5, an image signal corresponding to the electric charge accumulated in the first photoelectric conversion element 150 until the readout pulse 152b is superimposed (time t22) is output during a period from time t22b to time t25b, and the OFD pulse φ The output signal VOUT corresponding to the charge accumulated in the second photoelectric conversion element 160 from the time of applying the OFD (time t23) to the time of superimposing the readout pulse 152b (time t24) is from time t24c to time t27c (not shown). (Time corresponding to the read pulse 162d not to be output).

図5から明かなように、第2光電変換素子160の蓄積電荷が、第1光電変換素子150の蓄積電荷より、一定時間だけ早く出力されるので、それぞれの電荷に基づく高感度画像データと低感度画像データとの合成は、一定時間分だけシフトさせたデータ同志について行われる。早く出力される時間は、読み出しパルス162b、162cの重畳時刻から読み出しパルス152b、152c重畳時時刻までの時間である。この時間は、後述するシーンに応じて決定される高感度画像データと低感度画像データとの感度比に応じて決定されるので、デジタル信号処理部6は、システム制御部9からシフトすべきデータを取得し、合成処理を行う。   As apparent from FIG. 5, the accumulated charge of the second photoelectric conversion element 160 is output earlier than the accumulated charge of the first photoelectric conversion element 150 by a certain time, so that high-sensitivity image data based on each charge and low The combination with the sensitivity image data is performed on data that are shifted by a predetermined time. The time that is output earlier is the time from the time when the readout pulses 162b and 162c are superimposed to the time when the readout pulses 152b and 152c are superimposed. Since this time is determined according to the sensitivity ratio between the high-sensitivity image data and the low-sensitivity image data determined according to the scene described later, the digital signal processing unit 6 receives data to be shifted from the system control unit 9. Is obtained and the composition process is performed.

次に、システム制御部9が行うシーン判別処理、及び判別したシーンの種別に応じて第1光電変換素子150又は第2光電変換素子160から垂直転送チャネルへの電荷読み出しタイミングを変更し、第1光電変換素子150の露光時間又は第2光電変換素子160の露光時間を変更する露光時間制御処理について説明する。   Next, the charge read timing from the first photoelectric conversion element 150 or the second photoelectric conversion element 160 to the vertical transfer channel is changed according to the scene determination process performed by the system control unit 9 and the type of the determined scene, An exposure time control process for changing the exposure time of the photoelectric conversion element 150 or the exposure time of the second photoelectric conversion element 160 will be described.

シーン判別処理は、撮影時の露出制御及びオートフォーカス制御に利用する撮影画像データの輝度分布を利用して行う。輝度分布を知るには、第2光電変換素子160からの信号電荷に基づく撮像データを利用する。そして、システム制御部9及びデジタル信号処理部3によりヒストグラムを生成する。第2光電変換素子160からの信号電荷に基づく撮像データを利用するのは、広範囲の輝度値を取得するためである。   The scene determination process is performed using the luminance distribution of the captured image data used for exposure control and autofocus control during shooting. In order to know the luminance distribution, imaging data based on the signal charge from the second photoelectric conversion element 160 is used. Then, a histogram is generated by the system control unit 9 and the digital signal processing unit 3. The imaging data based on the signal charge from the second photoelectric conversion element 160 is used to acquire a wide range of luminance values.

次いで、生成したヒストグラムから、低輝度側のピーク及び高輝度側のピークを判別し、それぞれのピーク輝度値を取得する。広ダイナミックレンジの撮影を行う必要がある撮影シーンは、室内の被写体と窓の外の被写体が含まれるシーンのように、低輝度側と高輝度側にピークを有する輝度分布を持つことが多いので、このようなシーンにおける高輝度側の輝度範囲が撮像範囲となるように、高感度画像データと低感度画像データの感度比を設定する。   Next, from the generated histogram, a peak on the low luminance side and a peak on the high luminance side are discriminated, and respective peak luminance values are acquired. Shooting scenes that require shooting with a wide dynamic range often have luminance distributions that have peaks on the low and high luminance sides, such as scenes that include indoor subjects and subjects outside the window. The sensitivity ratio between the high-sensitivity image data and the low-sensitivity image data is set so that the luminance range on the high luminance side in such a scene becomes the imaging range.

具体的には、低輝度側のピーク値が第1光電変換素子150によって撮影できる輝度範囲の中央であると仮定し、高輝度側のピーク値が第2光電変換素子160の撮影可能範囲の中央となるように第2光電変換素子160の要撮像範囲を求める。そして、低輝度側のピーク値の2倍の輝度範囲と、第2光電変換素子160の要撮像範囲との比により、高感度画像データと低感度画像データの感度比を決定する。   Specifically, assuming that the peak value on the low luminance side is the center of the luminance range that can be imaged by the first photoelectric conversion element 150, the peak value on the high luminance side is the center of the imageable range of the second photoelectric conversion element 160. The required imaging range of the second photoelectric conversion element 160 is obtained so that Then, the sensitivity ratio between the high-sensitivity image data and the low-sensitivity image data is determined based on the ratio between the luminance range that is twice the peak value on the low-luminance side and the required imaging range of the second photoelectric conversion element 160.

生成したヒストグラムが明確なピークを有しない場合は、デフォルトの感度比、例えば4:1とする。この場合、図3の説明において、前提としたように、第1光電変換素子150と第2光電変換素子160の光電変換感度が4:1であるとすると、露出時間の変更は不要である。   If the generated histogram does not have a clear peak, the default sensitivity ratio is set to 4: 1, for example. In this case, as assumed in the description of FIG. 3, if the photoelectric conversion sensitivities of the first photoelectric conversion element 150 and the second photoelectric conversion element 160 are 4: 1, it is not necessary to change the exposure time.

なお、高感度画像データと低感度画像データの感度比は、細かく設定する必要はなく、4:1、8:1、16:1、32:14段階程度に切換えることができれば充分である。   Note that the sensitivity ratio between the high-sensitivity image data and the low-sensitivity image data does not need to be set finely, and it is sufficient if the sensitivity ratio can be switched to about 4: 1, 8: 1, 16: 1, and 32:14.

(第2の実施の形態)
以上、固体撮像素子100として、第1光電変換素子150及び第2光電変換素子160を、3相の垂直転送パルスで駆動し、全画素読み出しが可能なものを利用したが、1行おきの光電変換素子の蓄積電荷を2フレームに分けて読出すインタレース型のものでもよい。
(Second Embodiment)
As described above, as the solid-state imaging device 100, the first photoelectric conversion device 150 and the second photoelectric conversion device 160 that are driven by three-phase vertical transfer pulses and can read all pixels are used. An interlace type that reads out the stored charge of the conversion element in two frames may be used.

図6に、本発明の第2の実施の形態の固体撮像素子の概略構成を示す。図6の固体撮像素子200は、図1の固体撮像素子100と同様、半導体基板表面に行方向(図6のX方向)とこれに直交する列方向(図6のY方向)に正方格子状に配設された複数の光電変換素子250、260によって、光強度を電荷信号に変換し蓄積するものであり、光電変換素子からの電荷を列方向に転送する垂直転送部210と、垂直転送部210からの電荷を行方向に転送する水平転送部220と、水平転送部220によって転送される電荷に応じた信号241を出力する出力部240を含むものである。   FIG. 6 shows a schematic configuration of a solid-state imaging device according to the second embodiment of the present invention. The solid-state imaging device 200 of FIG. 6 is in the form of a square lattice in the row direction (X direction of FIG. 6) and the column direction (Y direction of FIG. 6) orthogonal to the surface of the semiconductor substrate, like the solid-state imaging device 100 of FIG. The vertical transfer unit 210 converts the light intensity into a charge signal and stores it by a plurality of photoelectric conversion elements 250 and 260 disposed in the vertical direction, and transfers the charge from the photoelectric conversion elements in the column direction, and the vertical transfer unit A horizontal transfer unit 220 that transfers charges from 210 in the row direction and an output unit 240 that outputs a signal 241 corresponding to the charges transferred by the horizontal transfer unit 220 are included.

第1光電変換素子250及び第2光電変換素子260は、相対的に高感度の画像信号を得るための信号電荷及び相対的に高感度の画像信号を得るための信号電荷を蓄積するもので、市松状に配置されている。具体的な構成は、図1の固体撮像素子100の第1光電変換素子150及び第2光電変換素子160と同様であるので説明を省略する。   The first photoelectric conversion element 250 and the second photoelectric conversion element 260 accumulate signal charges for obtaining a relatively high sensitivity image signal and signal charges for obtaining a relatively high sensitivity image signal. It is arranged in a checkered pattern. The specific configuration is the same as that of the first photoelectric conversion element 150 and the second photoelectric conversion element 160 of the solid-state imaging device 100 in FIG.

垂直転送部210は、第1光電変換素子250及び第2光電変換素子260からの電荷を列方向に転送するもので、半導体基板に形成された複数本の垂直転送チャネル(図示せず)、垂直転送チャネルの上層に形成された複数本の垂直転送電極211〜214、第1光電変換素子250及び第2光電変換素子260の電荷を垂直転送チャネルに読み出す第1電荷読み出し領域251及び第2電荷読み出し領域261(図6では、模式的に矢印で示してある。)を含む。   The vertical transfer unit 210 transfers charges from the first photoelectric conversion element 250 and the second photoelectric conversion element 260 in the column direction. The vertical transfer unit 210 includes a plurality of vertical transfer channels (not shown) formed on the semiconductor substrate. A first charge readout region 251 and a second charge readout for reading out the charges of the plurality of vertical transfer electrodes 211 to 214, the first photoelectric conversion element 250 and the second photoelectric conversion element 260 formed in the upper layer of the transfer channel to the vertical transfer channel. A region 261 (represented schematically by an arrow in FIG. 6) is included.

垂直転送部210は、図1の固体撮像素子100の垂直転送部110とほぼ同様の構成を有するが、垂直転送電極211〜214の数、及び配置が異なる。垂直転送電極211〜214は、2行分の、第1光電変換素子250及び第2光電変換素子260に対応して4つ設けられる。垂直転送電極211〜214には、端子231〜234を介して4相の垂直転送パルスが印加され、垂直転送チャネルの電荷が列方向に転送される。垂直転送パルスは、垂直転送部210と水平転送部220の間の転送電極215〜218にも印加され、垂直転送パルスの1周期毎に、1行分の第1光電変換素子250及び第2光電変換素子260で検出された電荷が、水平転送部220に送られる。   The vertical transfer unit 210 has substantially the same configuration as the vertical transfer unit 110 of the solid-state imaging device 100 in FIG. 1, but the number and arrangement of the vertical transfer electrodes 211 to 214 are different. Four vertical transfer electrodes 211 to 214 are provided corresponding to the first photoelectric conversion element 250 and the second photoelectric conversion element 260 for two rows. Four-phase vertical transfer pulses are applied to the vertical transfer electrodes 211 to 214 via the terminals 231 to 234, and charges in the vertical transfer channel are transferred in the column direction. The vertical transfer pulse is also applied to the transfer electrodes 215 to 218 between the vertical transfer unit 210 and the horizontal transfer unit 220, and for each period of the vertical transfer pulse, the first photoelectric conversion element 250 and the second photoelectric sensor for one row. The charges detected by the conversion element 260 are sent to the horizontal transfer unit 220.

第1電荷読み出し領域251は、垂直転送電極211及び213に対応する位置に設けられ、第1光電変換素子250から垂直転送チャネルへの電荷読み出しは、端子231に印加される第1相の垂直転送パルス及び端子233に印加される第3相の垂直転送パルスに読み出しパルスを重畳させることによって行う。また、第2電荷読み出し領域261は、垂直転送電極212及び214に対応する位置に設けられ、第2光電変換素子260から垂直転送チャネルへの電荷読み出しは、端子232に印加される第2相の垂直転送パルス及び端子234に印加される第4相の垂直転送パルスに読み出しパルスを重畳させることによって行う。したがって、第1光電変換素子250からの垂直転送チャネルへの電荷読み出しタイミングと、第2光電変換素子260からの垂直転送チャネルへの電荷読み出しタイミングとを独立に制御することができる。   The first charge readout region 251 is provided at a position corresponding to the vertical transfer electrodes 211 and 213, and charge readout from the first photoelectric conversion element 250 to the vertical transfer channel is performed by first-phase vertical transfer applied to the terminal 231. The readout pulse is superimposed on the pulse and the third-phase vertical transfer pulse applied to the terminal 233. The second charge readout region 261 is provided at a position corresponding to the vertical transfer electrodes 212 and 214, and charge readout from the second photoelectric conversion element 260 to the vertical transfer channel is performed in the second phase applied to the terminal 232. This is performed by superimposing the readout pulse on the vertical transfer pulse and the fourth-phase vertical transfer pulse applied to the terminal 234. Therefore, the charge read timing from the first photoelectric conversion element 250 to the vertical transfer channel and the charge read timing from the second photoelectric conversion element 260 to the vertical transfer channel can be controlled independently.

水平転送部220は、図1の固体撮像素子100の水平転送部120と同様の構成を有し、端子235、236を介して2相の水平転送パルスが印加される水平転送電極(図示せず)を有する。出力部240が、フローティングデフュージョンアンプ構成となっている点、オーバーフロードレイン領域(図示せず)を有しており、オーバーフロードレイン電極端子237に、掃き出しパルスを印加すると、光電変換素子250、260に蓄積された電荷が半導体基板に掃き出される点も、図1の固体撮像素子100と同様である。   The horizontal transfer unit 220 has the same configuration as the horizontal transfer unit 120 of the solid-state imaging device 100 of FIG. 1, and a horizontal transfer electrode (not shown) to which a two-phase horizontal transfer pulse is applied via terminals 235 and 236. ). The output unit 240 has a floating diffusion amplifier configuration, and has an overflow drain region (not shown). When a sweep pulse is applied to the overflow drain electrode terminal 237, the photoelectric conversion elements 250 and 260 are Similar to the solid-state imaging device 100 of FIG. 1, the accumulated charge is swept out to the semiconductor substrate.

図6の固体撮像素子200は、奇数行の第1光電変換素子250及び第2光電変換素子260と、偶数行の第1光電変換素子250及び第2光電変換素子260とに分けて蓄積された信号電荷を読み出す。奇数行の第1光電変換素子250及び第2光電変換素子260の信号電荷を読み出す場合は、第1相の垂直転送パルス及び第2相の垂直転送パルスに読み出しパルスを重畳する。そして、読み出した信号電荷を水平転送部220を介して出力した後、偶数行の第1光電変換素子250及び第2光電変換素子260の信号電荷を読み出すために、第3相の垂直転送パルス及び第4相の垂直転送パルスに読み出しパルスを重畳する。読み出した信号電荷は、同様に水平転送部220を介して出力される。   The solid-state imaging device 200 of FIG. 6 is accumulated by being divided into first photoelectric conversion elements 250 and second photoelectric conversion elements 260 in odd rows and first photoelectric conversion elements 250 and second photoelectric conversion elements 260 in even rows. Read the signal charge. When reading the signal charges of the first photoelectric conversion element 250 and the second photoelectric conversion element 260 in the odd-numbered rows, the read pulse is superimposed on the first-phase vertical transfer pulse and the second-phase vertical transfer pulse. Then, after the read signal charges are output via the horizontal transfer unit 220, the third-phase vertical transfer pulse and the read signal charges of the first photoelectric conversion elements 250 and the second photoelectric conversion elements 260 in the even-numbered rows are read out. The readout pulse is superimposed on the fourth phase vertical transfer pulse. Similarly, the read signal charges are output via the horizontal transfer unit 220.

ただし、第1光電変換素子250又は第2光電変換素子260の露光時間を制御するために、OFDパルスφOFDメカニカルシャッタ閉の間に重畳される読み出しパルスは、全ての行の第1光電変換素子250及び第2光電変換素子260に対して同一タイミング(正確には同一周期の転送パルスに対して)で重畳される。また、図6の固体撮像素子200は、第1光電変換素子250と第2光電変換素子260とに分けて蓄積された信号電荷を読み出すこともできる。第1光電変換素子250の信号電荷を読み出す場合は、第1相の垂直転送パルス及び第3相の垂直転送パルスに読み出しパルスを重畳し、第2光電変換素子260の信号電荷を読み出す場合には、第2相の垂直転送パルス及び第4相の垂直転送パルスに読み出しパルスを重畳すればよい。 However, in order to control the exposure time of the first photoelectric conversion element 250 or the second photoelectric conversion element 260, the readout pulse superimposed during the OFD pulse φ OFD mechanical shutter closing is the first photoelectric conversion element of all rows. 250 and the second photoelectric conversion element 260 are superimposed at the same timing (precisely, with respect to the transfer pulse having the same cycle). In addition, the solid-state imaging device 200 in FIG. 6 can also read the signal charges accumulated in the first photoelectric conversion element 250 and the second photoelectric conversion element 260. When reading the signal charge of the first photoelectric conversion element 250, when the read pulse is superimposed on the first-phase vertical transfer pulse and the third-phase vertical transfer pulse and reading the signal charge of the second photoelectric conversion element 260, The readout pulse may be superimposed on the second-phase vertical transfer pulse and the fourth-phase vertical transfer pulse.

(第3の実施の形態)
以上、光電変換素子が正方格子状に配設された固体撮像素子について説明したが、正方格子配列に限らない。図7に、本発明の第3の実施の形態の固体撮像素子の概略構成を示す。図7の固体撮像素子300は、いわゆるハニカム構造の固体撮像素子である。
(Third embodiment)
The solid-state imaging device in which the photoelectric conversion elements are arranged in a square lattice shape has been described above, but is not limited to a square lattice arrangement. FIG. 7 shows a schematic configuration of a solid-state imaging device according to the third embodiment of the present invention. A solid-state image sensor 300 in FIG. 7 is a so-called honeycomb-structured solid-state image sensor.

図7の固体撮像素子は、半導体基板表面に行方向(図7のX方向)とこれに直交する列方向(図7のY方向)に配設された複数の光電変換素子350、360(図7では、一部にのみ符号を付してある。以下、「画素」と記述する場合もある。)によって、光強度を電荷信号に変換し蓄積するものであり、光電変換素子350、360からの電荷を列方向に転送する垂直転送部310(図7では、一部にのみ符号を付してある。)と、垂直転送部310からの電荷を行方向に転送する水平転送部320と、水平転送部320によって転送される電荷に応じた信号341を出力する出力部340を含むものである。   7 includes a plurality of photoelectric conversion elements 350 and 360 (see FIG. 7) arranged on the surface of a semiconductor substrate in a row direction (X direction in FIG. 7) and a column direction (Y direction in FIG. 7) perpendicular thereto. 7, the light intensity is converted into a charge signal and accumulated, and the photoelectric conversion elements 350 and 360 are used. A vertical transfer unit 310 (in FIG. 7, only a part is given a reference numeral), a horizontal transfer unit 320 that transfers charges from the vertical transfer unit 310 in the row direction, An output unit 340 that outputs a signal 341 corresponding to the charge transferred by the horizontal transfer unit 320 is included.

第1光電変換素子350及び第2光電変換素子360は、それぞれ、行方向とこれに直交する列方向に正方格子状に配設されている。第1光電変換素子350の配設ピッチと第2光電変換素子360の配設ピッチは、同じであり、第1光電変換素子350と第2光電変換素子360は、互いに配設ピッチの1/2だけ行方向及び列方向にずれた位置に配設されている。第1光電変換素子350及び第2光電変換素子360光電変換感度を変化させるには、光電変換素子の受光面の面積を変化させてもよいし、光電変換素子上方に設けたマイクロレンズによって、集光面積を変化させてもよい。これらの方法は、いずれも周知であるので説明を省略する。   The first photoelectric conversion element 350 and the second photoelectric conversion element 360 are respectively arranged in a square lattice pattern in the row direction and the column direction orthogonal thereto. The arrangement pitch of the first photoelectric conversion element 350 and the arrangement pitch of the second photoelectric conversion element 360 are the same, and the first photoelectric conversion element 350 and the second photoelectric conversion element 360 are ½ of the arrangement pitch. They are disposed at positions shifted only in the row direction and the column direction. In order to change the photoelectric conversion sensitivity of the first photoelectric conversion element 350 and the second photoelectric conversion element 360, the area of the light receiving surface of the photoelectric conversion element may be changed, or the light is collected by a microlens provided above the photoelectric conversion element. The light area may be changed. Since these methods are all well-known, description is abbreviate | omitted.

また、図7の固体撮像素子は、カラー画像信号を検出するために、第1光電変換素子350及び第2光電変換素子360の上方にカラーフィルタ(図示せず)を有する。カラーフィルタの配列方法は任意であるが、同一の位置関係で隣接する第1光電変換素子350及び第2光電変換素子360は、同一の色とする。図7では、カラーフィルタが、第1光電変換素子350及び第2光電変換素子360それぞれについてベイヤー配列となっており、対応する光電変換素子は、それぞれ、赤色光、緑色光、青色光に対応する電荷を検出する。   7 has a color filter (not shown) above the first photoelectric conversion element 350 and the second photoelectric conversion element 360 in order to detect a color image signal. The arrangement method of the color filters is arbitrary, but the first photoelectric conversion element 350 and the second photoelectric conversion element 360 that are adjacent to each other in the same positional relationship have the same color. In FIG. 7, the color filter has a Bayer arrangement for each of the first photoelectric conversion element 350 and the second photoelectric conversion element 360, and the corresponding photoelectric conversion elements respectively correspond to red light, green light, and blue light. Detect charge.

垂直転送部310は、第1光電変換素子350及び第2光電変換素子360からの電荷を列方向に転送するもので、半導体基板上に形成された複数本の垂直転送チャネル(図示せず)、垂直転送チャネルの各々を平面視上交差するように形成された複数本の垂直転送電極311〜314、第1光電変換素子350及び第2光電変換素子360の電荷を垂直転送チャネルに読み出す電荷読み出し領域351、361(図7では、模式的に矢印で示してある。)を含む。   The vertical transfer unit 310 transfers charges from the first photoelectric conversion element 350 and the second photoelectric conversion element 360 in the column direction, and a plurality of vertical transfer channels (not shown) formed on the semiconductor substrate, A charge readout region for reading out the charges of the plurality of vertical transfer electrodes 311 to 314, the first photoelectric conversion element 350, and the second photoelectric conversion element 360, which are formed so as to intersect each of the vertical transfer channels in plan view, to the vertical transfer channel 351 and 361 (represented schematically by arrows in FIG. 7).

垂直転送チャネルは、第1光電変換素子350及び第2光電変換素子360の間を全体として列方向に延在する蛇行形状を呈するものであり、その上方に形成された垂直転送電極311〜314によって、電荷が蓄積、転送される領域が区分される。垂直転送電極311〜314は、第1光電変換素子350及び第2光電変換素子360それぞれに対応して4つ設けられ(図では、1行分の高感度画素に対応するもののみに符合を付してある。)、第1光電変換素子350及び第2光電変換素子360の間を全体として行方向に延在する蛇行形状を呈するものである。図7では、電荷が蓄積、転送される領域区分の形状を接続して記載してあるが、実際には、ほぼ同一の幅の導電体で形成される。   The vertical transfer channel has a meandering shape extending in the column direction between the first photoelectric conversion element 350 and the second photoelectric conversion element 360 as a whole, and is formed by vertical transfer electrodes 311 to 314 formed thereabove. A region where charges are accumulated and transferred is divided. Four vertical transfer electrodes 311 to 314 are provided corresponding to each of the first photoelectric conversion element 350 and the second photoelectric conversion element 360 (in the figure, only those corresponding to one row of high-sensitivity pixels are denoted by reference numerals). In other words, a meandering shape extending in the row direction between the first photoelectric conversion element 350 and the second photoelectric conversion element 360 as a whole is exhibited. In FIG. 7, the shape of the region sections where charges are stored and transferred is described as being connected, but in reality, they are formed of conductors having substantially the same width.

垂直転送電極311〜314には、端子331〜334を介して4相の垂直転送パルスが印加され、垂直転送チャネルの電荷が列方向に転送される。垂直転送パルスは、垂直転送部310と水平転送部320の間の転送電極315、316にも印加され、垂直転送パルスの1周期毎に、1行分の第1光電変換素子350及び第2光電変換素子360で検出された電荷が、水平転送部320に送られる。   Four-phase vertical transfer pulses are applied to the vertical transfer electrodes 311 to 314 via the terminals 331 to 334, and charges in the vertical transfer channel are transferred in the column direction. The vertical transfer pulse is also applied to the transfer electrodes 315 and 316 between the vertical transfer unit 310 and the horizontal transfer unit 320, and for each period of the vertical transfer pulse, the first photoelectric conversion element 350 and the second photoelectric transfer for one row. The charges detected by the conversion element 360 are sent to the horizontal transfer unit 320.

第1電荷読み出し領域351は、垂直転送電極311に対応する位置に設けられ、第1光電変換素子350から垂直転送チャネルへの電荷読み出しは、端子331に印加される第1相の垂直転送パルスに読み出しパルスを重畳させることによって行う。また、第2電荷読み出し領域361は、垂直転送電極313に対応する位置に設けられ、第2光電変換素子160から垂直転送チャネルへの電荷読み出しは、端子333に印加される第3相の垂直転送パルスに読み出しパルスを重畳させることによって行う。したがって、第1光電変換素子350からの垂直転送チャネルへの電荷読み出しタイミングと、第2光電変換素子360からの垂直転送チャネルへの電荷読み出しタイミングとを独立に制御することができる。   The first charge readout region 351 is provided at a position corresponding to the vertical transfer electrode 311, and charge readout from the first photoelectric conversion element 350 to the vertical transfer channel is performed by a first-phase vertical transfer pulse applied to the terminal 331. This is done by superimposing the readout pulse. The second charge readout region 361 is provided at a position corresponding to the vertical transfer electrode 313, and charge readout from the second photoelectric conversion element 160 to the vertical transfer channel is performed by a third-phase vertical transfer applied to the terminal 333. This is done by superimposing a readout pulse on the pulse. Therefore, the charge read timing from the first photoelectric conversion element 350 to the vertical transfer channel and the charge read timing from the second photoelectric conversion element 360 to the vertical transfer channel can be controlled independently.

水平転送部320は、垂直転送部310からの電荷を、行方向に転送するものであり、水平転送チャネル及び水平転送電極(いずれも図示せず)を含む。水平転送電極には、端子335、336を介して2相の水平転送パルスが印加され、垂直転送部310から転送された、1行分の第1光電変換素子350の信号電荷及び1行分の第2光電変換素子360の信号電荷が、出力部340に転送される。出力部340は、フローティングデフュージョンアンプ構成となっており、転送された電荷に対応する電圧信号341が出力される。   The horizontal transfer unit 320 transfers charges from the vertical transfer unit 310 in the row direction, and includes a horizontal transfer channel and a horizontal transfer electrode (both not shown). Two-phase horizontal transfer pulses are applied to the horizontal transfer electrodes via the terminals 335 and 336, and the signal charges of the first photoelectric conversion elements 350 for one row transferred from the vertical transfer unit 310 and for one row are transferred. The signal charge of the second photoelectric conversion element 360 is transferred to the output unit 340. The output unit 340 has a floating diffusion amplifier configuration, and outputs a voltage signal 341 corresponding to the transferred charge.

また、図7の固体撮像素子300は、光電変換素子350、360に蓄積された電荷を掃き出すオーバーフロードレイン領域(図示せず)を有しており、オーバーフロードレイン電極端子337に、掃き出しパルスを印加すると、光電変換素子350、360に蓄積された電荷が半導体基板に掃き出される。オーバーフロードレイン電極端子337には、レリーズボタンの操作に応答して所定のタイミングでパルスが印加され、光電変換素子350、360の電荷蓄積時間が制御される。   7 has an overflow drain region (not shown) that sweeps out charges accumulated in the photoelectric conversion elements 350 and 360. When a sweep pulse is applied to the overflow drain electrode terminal 337, the solid-state imaging device 300 in FIG. The charges accumulated in the photoelectric conversion elements 350 and 360 are swept out to the semiconductor substrate. A pulse is applied to overflow drain electrode terminal 337 at a predetermined timing in response to the operation of the release button, and the charge accumulation time of photoelectric conversion elements 350 and 360 is controlled.

なお、図7では記載していないが、垂直転送チャネルの間には、チャネルストップが形成される。また、図7では、垂直転送電極331〜334を第1光電変換素子350及び第2光電変換素子360に比べて大きく示しているが、実際には、もっと小さい。   Although not shown in FIG. 7, channel stops are formed between the vertical transfer channels. In FIG. 7, the vertical transfer electrodes 331 to 334 are shown larger than the first photoelectric conversion element 350 and the second photoelectric conversion element 360, but are actually smaller.

図7の固体撮像素子300は、図3〜図5を用いて説明した、固体撮像素子100の動作と同様の動作を行うことができる。例えば、図3のような動作を行う場合は、露光時間制御のために第2相の垂直転送パルスに重畳される読み出しパルス161bに対応するものとして、端子333に印加される第3相の垂直転送パルスに読み出しパルスを重畳する。また、第1光電変換素子150の信号電荷の読み出しパルス151aに対応するものとして、端子331に印加される第1相の垂直転送パルスに読み出しパルスを重畳し、第2光電変換素子160の信号電荷の読み出しパルス161aに対応するものとして、端子333に印加される第3相の垂直転送パルスに読み出しパルスを重畳する。   The solid-state imaging device 300 of FIG. 7 can perform the same operation as the operation of the solid-state imaging device 100 described with reference to FIGS. For example, when the operation as shown in FIG. 3 is performed, the third-phase vertical applied to the terminal 333 is assumed to correspond to the readout pulse 161b superimposed on the second-phase vertical transfer pulse for exposure time control. The readout pulse is superimposed on the transfer pulse. Further, as a signal corresponding to the signal charge read pulse 151 a of the first photoelectric conversion element 150, the read pulse is superimposed on the first-phase vertical transfer pulse applied to the terminal 331, and the signal charge of the second photoelectric conversion element 160 is The readout pulse is superimposed on the third-phase vertical transfer pulse applied to the terminal 333 as the one corresponding to the readout pulse 161a.

本発明の第1の実施の形態の固体撮像素子の概略構成を示す図The figure which shows schematic structure of the solid-state image sensor of the 1st Embodiment of this invention. 本発明の実施の形態のデジタルカメラの概略構成を示す図The figure which shows schematic structure of the digital camera of embodiment of this invention 本発明の固体撮像素子の駆動の一例を説明するためのタイミングチャートを示す図The figure which shows the timing chart for demonstrating an example of the drive of the solid-state image sensor of this invention 本発明の固体撮像素子の駆動の他の例を説明するためのタイミングチャートを示す図The figure which shows the timing chart for demonstrating the other example of the drive of the solid-state image sensor of this invention 本発明の固体撮像素子の駆動のさらに他の例を説明するためのタイミングチャートを示す図The figure which shows the timing chart for demonstrating the further another example of the drive of the solid-state image sensor of this invention 本発明の第2の実施の形態の固体撮像素子の概略構成を示す図The figure which shows schematic structure of the solid-state image sensor of the 2nd Embodiment of this invention. 本発明の第3の実施の形態の固体撮像素子の概略構成を示す図The figure which shows schematic structure of the solid-state image sensor of the 3rd Embodiment of this invention.

符号の説明Explanation of symbols

1・・・撮像部
1a・・・撮影レンズ
1b・・・メカニカルシャッタ
2・・・アナログ信号処理部
3・・・A/D変換部
4・・・駆動部
5・・・ストロボ
6・・・デジタル信号処理部
7・・・圧縮/伸張処理部
8・・・表示部
9・・・システム制御部
10・・・内部メモリ
11・・・メディアインタフェース
12・・・記録メディア
13・・・操作部
20・・・システムバス
100、200、300・・・固体撮像素子
110、210、310・・・垂直転送部
120、220、320・・・水平転送部
140、240、340・・・出力部
150、250、350・・・第1光電変換素子
151、251、351・・・第1電荷読み出し領域
160、260、360・・・第2光電変換素子
161、261、361・・・第2電荷読み出し領域
111〜113、211〜214、311〜314・・・垂直転送電極
136、237、337・・・オーバーフロードレイン電極端子
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Imaging part 1a ... Shooting lens 1b ... Mechanical shutter 2 ... Analog signal processing part 3 ... A / D conversion part 4 ... Drive part 5 ... Strobe 6 ... Digital signal processing unit 7: Compression / decompression processing unit 8 ... Display unit 9 ... System control unit 10 ... Internal memory 11 ... Media interface 12 ... Recording medium 13 ... Operation unit 20 ... System bus 100, 200, 300 ... Solid-state image sensor 110, 210, 310 ... Vertical transfer unit 120, 220, 320 ... Horizontal transfer unit 140, 240, 340 ... Output unit 150 , 250, 350... First photoelectric conversion elements 151, 251, 351... First charge readout region 160, 260, 360... Second photoelectric conversion elements 161, 261, 361. 2 charge read-out region 111~113,211~214,311~314 ... vertical transfer electrodes 136,237,337 ... overflow drain electrode terminal

Claims (8)

半導体基板表面に行方向とこれに直交する列方向に配設された複数の光電変換素子を含む固体撮像素子であって、
前記光電変換素子の上方に配列されたカラーフィルタと、
前記光電変換素子からの電荷を前記列方向に転送する垂直転送部と、
前記垂直転送部からの電荷を、前記行方向に転送する水平転送部と、
前記水平転送部によって転送される電荷に応じた信号を出力する出力部とを有し、
前記光電変換素子は、行方向とこれに直交する列方向に正方格子状に配設された複数の第1光電変換素子と、行方向とこれに直交する列方向に正方格子状に配設された複数の第2光電変換素子とを含み、
前記第1光電変換素子と前記第2光電変換素子は、同一の配設ピッチで、かつ、互いに配設ピッチの1/2だけ行方向及び列方向にずれた位置に配設されており、
前記第1の光電変換素子の上方に配列されたカラーフィルタと、前記第2の光電変換素子の上方に配列されたカラーフィルタとは、それぞれベイヤー配列となっており、
前記垂直転送部は、列方向に配設された複数の前記光電変換素子に対応して前記半導体基板に形成された複数本の垂直転送チャネルと、前記垂直転送チャネルの各々を平面視上交差するように形成された複数本の垂直転送電極と、前記光電変換素子の電荷を前記垂直転送チャネルに読み出す電荷読み出し領域とを含み、
前記垂直転送チャネルは、前記光電変換素子の間を全体として列方向に延在する蛇行形状を呈するものであり、
前記垂直転送電極は、前記光電変換素子に対応してそれぞれ複数本設けられ、かつ、電変換素子の間を全体として行方向に延在する蛇行形状を呈するものであり、
前記第1光電変換素子に対応する前記電荷読み出し領域と前記第2光電変換素子に対応する前記電荷読み出し領域は、それぞれ、異なる位置関係にある前記垂直転送電極に対応する位置に設けられる固体撮像素子。
A solid-state imaging device including a plurality of photoelectric conversion elements arranged on a semiconductor substrate surface in a row direction and a column direction orthogonal thereto,
A color filter arranged above the photoelectric conversion element;
A vertical transfer unit for transferring charges from the photoelectric conversion elements in the column direction;
A horizontal transfer unit that transfers charges from the vertical transfer unit in the row direction;
An output unit that outputs a signal corresponding to the charge transferred by the horizontal transfer unit,
The photoelectric conversion elements are arranged in a square lattice pattern in a row direction and a column direction orthogonal to the first photoelectric conversion elements disposed in a square lattice pattern in the row direction and the column direction orthogonal to the first photoelectric conversion element. A plurality of second photoelectric conversion elements,
The first photoelectric conversion element and the second photoelectric conversion element are arranged at the same arrangement pitch and at positions shifted by a half of the arrangement pitch in the row direction and the column direction.
The color filter arranged above the first photoelectric conversion element and the color filter arranged above the second photoelectric conversion element are each Bayer array,
The vertical transfer unit intersects each of the plurality of vertical transfer channels formed in the semiconductor substrate corresponding to the plurality of photoelectric conversion elements arranged in the column direction and the vertical transfer channels in plan view. A plurality of vertical transfer electrodes formed as described above, and a charge readout region for reading out the charge of the photoelectric conversion element to the vertical transfer channel,
The vertical transfer channel has a meandering shape extending in the column direction between the photoelectric conversion elements as a whole,
A plurality of the vertical transfer electrodes are provided corresponding to the photoelectric conversion elements, respectively, and exhibit a meandering shape extending in the row direction between the electric conversion elements as a whole,
The charge readout region corresponding to the first photoelectric conversion element and the charge readout region corresponding to the second photoelectric conversion element are respectively provided at positions corresponding to the vertical transfer electrodes having different positional relationships. .
請求項1記載の固体撮像素子であって、
前記第1光電変換素子は、相対的に高い光電変換感度を有し、前記第2の光電変換素子は、相対的に低い光電変換感度を有する固体撮像素子。
The solid-state imaging device according to claim 1,
The first photoelectric conversion element has a relatively high photoelectric conversion sensitivity, and the second photoelectric conversion element has a relatively low photoelectric conversion sensitivity.
請求項1又は2記載の固体撮像素子であって、
前記電荷読み出し領域での電荷読み出しを指示する読み出しパルスは、前記第1光電変換素子と前記第2光電変換素子とに印加される読み出しパルスが撮像シーンに応じて変化する露光時間制御パルスを含む固体撮像素子。
The solid-state imaging device according to claim 1 or 2,
The readout pulse for instructing the readout of charges in the charge readout region includes an exposure time control pulse in which the readout pulse applied to the first photoelectric conversion element and the second photoelectric conversion element changes according to the imaging scene. Image sensor.
請求項3載の固体撮像素子であって、
前記露光時間制御パルスは、前記光電変換素子にその露光時間制御パルスの前までに蓄積された電荷を前記垂直転送チャネルを介して外部に掃き出すためのものである固体撮像素子。
A solid-state imaging device according to claim 3,
The exposure time control pulse is a solid-state imaging device for sweeping out charges accumulated in the photoelectric conversion device before the exposure time control pulse to the outside through the vertical transfer channel.
請求項3記載の固体撮像素子であって、
前記露光時間制御パルスは、前記光電変換素子にその露光時間制御パルスの前までに蓄積された電荷を前記信号電荷として前記垂直転送チャネルに読み出すためのものである固体撮像素子。
The solid-state imaging device according to claim 3,
The exposure time control pulse is a solid-state imaging device for reading out the charge accumulated in the photoelectric conversion device before the exposure time control pulse as the signal charge to the vertical transfer channel.
請求項1ないし5のいずれか1項記載の固体撮像素子であって、
同一の位置関係で隣接する前記第1光電変換素子及び前記第2光電変換素子は、同一の相対分光感度特性を有するものである固体撮像素子。
The solid-state imaging device according to any one of claims 1 to 5,
The first photoelectric conversion element and the second photoelectric conversion element that are adjacent to each other in the same positional relationship have the same relative spectral sensitivity characteristics.
請求項1ないし6のいずれか1項記載の固体撮像素子を備える撮像装置であって、
前記第1光電変換素子の露光時間と前記第2光電変換素子の露光時間を変更する露光時間制御部と、
前記固体撮像素子から出力される撮像信号に基づく信号処理を行う信号処理部を備え、
前記信号処理部が行う信号処理は、前記第1光電変換素子からの信号に基づく高感度画像信号と前記第2光電変換素子からの信号に基づく低感度撮像信号との合成信号を生成する合成処理を含み
前記露光時間制御部は、撮影シーンの種別を判別し、判別したシーンの種別に応じて前記第1光電変換素子と前記第2光電変換素子から前記垂直転送チャネルへの電荷読み出しタイミングを変更することによって、前記第1光電変換素子の露光時間と前記第2光電変換素子の露光時間を変更するものである撮像装置。
An imaging apparatus comprising the solid-state imaging device according to any one of claims 1 to 6,
An exposure time control unit for changing an exposure time of the first photoelectric conversion element and an exposure time of the second photoelectric conversion element;
A signal processing unit that performs signal processing based on an imaging signal output from the solid-state imaging device;
The signal processing performed by the signal processing unit is a combining process for generating a combined signal of a high-sensitivity image signal based on the signal from the first photoelectric conversion element and a low-sensitivity imaging signal based on the signal from the second photoelectric conversion element. The exposure time control unit discriminates the type of the shooting scene and changes the charge readout timing from the first photoelectric conversion element and the second photoelectric conversion element to the vertical transfer channel according to the determined scene type. By doing so, the imaging apparatus which changes the exposure time of the said 1st photoelectric conversion element, and the exposure time of the said 2nd photoelectric conversion element.
請求項7記載の撮像装置であって、
前記露光時間制御部は、撮影シーンの輝度分布を求め、求めた輝度分布に基づいて撮影シーンの種別を判別するものである撮像装置。
The imaging apparatus according to claim 7,
The said exposure time control part calculates | requires the luminance distribution of a photography scene, and discriminate | determines the classification of a photography scene based on the calculated | required luminance distribution.
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