CN114467295A - 拍摄元件及拍摄装置 - Google Patents

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Abstract

拍摄元件具备：第1基板，其设有通过光电转换而生成电荷的光电转换部、和被输出基于由上述光电转换部生成的电荷得到的信号的信号线；以及第2基板，其层叠于上述第1基板，设有向上述信号线进行电压供给以使得上述信号线的电压不成为规定电压以下的供给部、和对输出到上述信号线的信号进行处理的处理部。

Description

拍摄元件及拍摄装置
技术领域
本发明涉及拍摄元件及拍摄装置。
背景技术
已知一种用于将从像素输出的信号箍位为规定的电压电平的晶体管按各列各设有一个的拍摄元件(专利文献1)。以往就谋求画质的提高。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本国特开2004-222273号公报
发明内容
根据第1方案，拍摄元件具备：第1基板，其设有通过光电转换而生成电荷的光电转换部、和被输出基于由上述光电转换部生成的电荷得到的信号的信号线；以及第2基板，其设有向上述信号线进行电压供给以使得上述信号线的电压不成为规定电压以下的供给部、和对输出到上述信号线的信号进行处理的处理部，且该第2基板层叠于上述第1基板。
根据第2方案，拍摄装置具备第1方案的拍摄元件、和基于由上述处理部处理后的信号而生成图像数据的生成部。
附图说明
图1是表示第1实施方式的拍摄装置的结构例的图。
图2是表示第1实施方式的拍摄元件的结构例的框图。
图3是表示第1实施方式的拍摄元件的一部分的截面构造的一例的图。
图4是表示第1实施方式的拍摄元件的一部分的结构例的图。
图5是表示第1实施方式的拍摄元件的动作例的时间图。
图6是表示第1实施方式的拍摄元件的动作例的时间图。
图7是表示第1实施方式的拍摄元件的一部分的布局的一例的图。
图8是表示变形例的拍摄元件的结构的一例的框图。
图9是表示变形例的拍摄元件的结构的其他例子的框图。
具体实施方式
(第1实施方式)
图1是表示作为第1实施方式的拍摄装置的一例的相机1的结构例的图。相机1具备摄像光学系统(成像光学系统)2、拍摄元件3、控制部4、存储器5、显示部6及操作部7。摄像光学系统2具有包含焦点调节透镜(聚焦透镜)在内的多个透镜及开口光圈，在拍摄元件3上成像出被摄体像。此外，摄像光学系统2也可以能够相对于相机1装拆。
拍摄元件3是CMOS图像传感器、CCD图像传感器等拍摄元件。拍摄元件3接受从摄像光学系统2通过的光束，对由摄像光学系统2形成的被摄体像进行拍摄。在拍摄元件3中，具有光电转换部的多个像素配置为二维状(行方向及列方向)。光电转换部由光电二极管(PD)构成。拍摄元件3对接受的光进行光电转换而生成信号，将所生成的信号输出到控制部4。
存储器5是存储卡等记录介质。在存储器5中，记录有图像数据、控制程序等。数据向存储器5的写入及数据从存储器5的读出由控制部4控制。显示部6显示基于图像数据的图像、快门速度、光圈值等与摄像有关的信息、以及菜单画面等。操作部7包括释放按钮、电源开关、用于切换各种模式的开关等各种设定开关等，将基于各个操作的信号向控制部4输出。
控制部4由CPU、FPGA、ASIC等处理器及ROM、RAM等存储器构成，基于控制程序控制相机1的各部分。控制部4向拍摄元件3供给控制拍摄元件3的信号，控制拍摄元件3的动作。控制部4在进行静态画面摄像的情况、进行动态画面摄像的情况、在显示部6上显示被摄体的实时取景图像(预览图像)的情况等下，使拍摄元件3拍摄被摄体像并输出信号。
控制部4对从拍摄元件3输出的信号进行各种图像处理而生成图像数据。控制部4也是生成图像数据的生成部4，基于从拍摄元件3输出的信号而生成静态图像数据、动态图像数据。在图像处理中包括灰阶转换处理、颜色插补处理等图像处理。
图2是表示第1实施方式的拍摄元件的结构例的框图。拍摄元件3将设有多个像素10的第1基板111和设有供给部30及读出部60的第2基板112层叠而构成。第1基板111及第2基板112分别使用半导体基板而构成。设于第1基板111的电路及设于第2基板112的电路通过电极、凸块等连接部而电连接。
第1基板111具有分别配置有多个像素10的多个区域20。在图2所示的例子中，图示出四个区域20。这四个区域20分别示出将第1基板111的配置有像素10的区域分为包含规定数量像素的区域时的一个区域。此外，各区域20可以局部重叠，也可以不重叠。各区域20的像素数量可以是2像素×2像素的4像素，也可以是4像素×4像素的16像素，可以设为任意数量。以下，将区域20称为像素块20。
在拍摄元件3中，按每个像素块20设有信号线22和后述的供给部30。另外，虽在后叙述，在拍摄元件3中，按每个像素块20设有像素控制部及供给控制部。信号线22是将像素块20与读出部60相连的信号线，被从像素10输出信号。信号线22是使用电极、凸块等连接部的信号线。
读出部60具有包含模拟/数字转换部(AD转换部)40的处理部50。处理部50按每个像素块20设置。在本实施方式的拍摄元件3中，使用设于各个像素块20的信号线22，并行地进行像素信号从多个像素块20的读出。读出部60使各像素块20的像素信号同时(并行)向设于每个像素块20的处理部50输出，能够在各处理部50中同时对像素信号进行信号处理。由于各处理部50对从各像素块20输出的信号同时进行信号处理，所以读出部60能够进行高速的信号处理。
处理部50的AD转换部40将从像素块20的各像素10经由信号线22输入的作为模拟信号的像素信号转换成数字信号。此外，处理部50也可以具有将经由信号线22输入的像素信号以规定增益(放大率)放大的放大部。该情况下，AD转换部40将由放大部放大后的像素信号转换成数字信号。
被转换成数字信号的像素信号在处理部50中，在被实施相关双采样(CDS；Correlated Double Sampling)、修正信号量的处理等信号处理后，被输出到相机1的控制部4。此外，也可以在未图示的信号处理部中进行针对像素信号的相关双采样等信号处理。该情况下，处理部50将由AD转换部40转换成数字信号的像素信号输出到信号处理部。信号处理部在对所输入的像素信号进行了相关双采样等信号处理后，将处理后的像素信号输出到控制部4。
在第1基板111中配置有各像素10的区域的周围，设有被供给(施加)电源电压VDD的多个电极(焊盘)200。电极200经由布线121与配置于第1基板111的多个像素10连接。在像素10中，经由布线121被供给电源电压VDD。
另外，在拍摄元件3中，如图2中示意性所示，设有布线125及布线126。布线125是贯穿第1基板111的布线。布线126是将第1基板111的布线121与第2基板112的布线122相连的布线。布线125及布线126分别使用电极、凸块等而形成。电极200经由布线125和布线122与配置于第2基板112的多个供给部30连接。另外，电极200经由布线121、布线126和布线122与多个供给部30连接。在供给部30中，经由布线125和布线122被供给电源电压VDD，并且经由布线121和布线126被供给电源电压VDD。电极200是在多个像素10及供给部30中共通的电极，如图2所示配置在第1基板111的一个面上。
以下，参照附图，进一步说明本实施方式的拍摄元件3的结构。
图3是表示第1实施方式的拍摄元件的一部分的截面构造的一例的图。图4是表示第1实施方式的拍摄元件的一部分的结构例的图。图3所示的拍摄元件3是背面照射型的拍摄元件。拍摄元件3具备第1基板111、层叠于第1基板111而设置的布线层101、第2基板112、和层叠于第2基板112而设置的布线层102。布线层101及布线层102分别是包含导体膜(金属膜)及绝缘膜的布线层，配置有多个布线和过孔、层间绝缘膜等。
来自被摄体的光朝向图3的Z轴正向入射。另外，如图3的坐标轴所示，将与Z轴正交的纸面右方设为X轴正向，将与Z轴及X轴正交的纸面近前方向设为Y轴正向。在以后的附图中，也存在以图3的坐标轴为基准，以可知各个附图的朝向的方式显示坐标轴的情况。在第1基板111及布线层101中，包含多个像素10的像素块20沿X轴方向及Y轴方向配置有多个。在第2基板112及布线层102中，供给部30及处理部50沿X轴方向及Y轴方向配置有多个。在拍摄元件3中，布线126设于像素10与供给部30之间。也可以说在光电转换部11与供给部30之间设有布线126。在图3所示的例子中，布线126与信号线22平行地配置。
在图4中示出了设于拍摄元件3的多个像素10中的一部分的像素10、一部分的电流源25及供给部30、一部分的像素控制部35及供给控制部36、和读出控制部70。电流源25及供给部30针对信号线22设置。像素控制部35及供给控制部36分别按每个像素块20而配置。此外，在图4中，为了简化附图，仅对一个像素块20图示了一个像素10。
像素10具有光电转换部11、传输部12、浮置扩散部(FD)13、重置部14、放大部15和选择部16。光电转换部11是光电二极管PD，将所入射的光转换成电荷，并蓄存经光电转换得到的电荷。
传输部12由根据信号TX被控制的晶体管M1构成，将由光电转换部11光电转换得到的电荷传输到FD13。晶体管M1是传输晶体管。FD13蓄存(保持)传输到FD13的电荷，并转换成除以电容值得到的电压。FD13是蓄存部13，蓄存由光电转换部11生成的电荷。
放大部15由栅极(端子)与FD13连接的晶体管M3构成，将基于FD13中蓄存的电荷得到的信号放大之后输出。晶体管M3的漏极(端子)经由布线(电源线)121与电极200(参照图2)连接，被供给电源电压VDD。晶体管M3的源极(端子)经由选择部16与信号线22连接。放大部15将电流源25设为负荷电流源，作为源极跟随器电路的一部分而发挥功能。晶体管M3是放大晶体管。放大部15和选择部16构成生成基于由光电转换部11生成的电荷得到的信号并输出的输出部。
重置部14由根据信号RST被控制的晶体管M2构成，将FD13与电源线121电连接或切断。重置部14将由FD13蓄存的电荷重置。重置部14将FD13中蓄存的电荷排出，将FD13的电压重置。晶体管M2是重置晶体管。选择部16由根据信号SEL被控制的晶体管M4构成，将放大部15与信号线22电连接或切断。选择部16的晶体管M4在ON状态的情况下，将来自放大部15的信号输出到信号线22。晶体管M4是选择晶体管。
电流源25包含栅极中被输入信号VB的晶体管M5而构成。电流源25经由信号线22与像素块20的各像素10和供给部30连接。电流源25基于信号VB的信号电平而生成电流，将所生成的电流向信号线22、像素10及供给部30供给。此外，电流源25也可以由串叠(cascode)连接的两个晶体管构成。信号VB由未图示的信号生成部生成。信号生成部对按每个信号线22设置的电流源25共通地连接，向各电流源25供给信号VB。各电流源25的晶体管M5的栅极相互电连接，从信号生成部输入信号VB。
在信号线22中，依次被输出将FD13的电压重置时的信号(暗信号)、和基于由传输部12从光电转换部11传输到FD13的电荷得到的信号(光电转换信号)。暗信号用于除去光电转换信号中包含的噪声。暗信号也可以称为表示相对于光电转换信号的基准电平的模拟信号，用于修正光电转换信号。光电转换信号是基于由光电转换部11光电转换得到的电荷而生成的模拟信号。暗信号及光电转换信号经由信号线22输入到读出部60的处理部50(参照图2)。在本实施方式中，处理部50具有进行光电转换信号与暗信号的减法运算的运算部，进行基于光电转换信号与暗信号的减法运算的CDS，从光电转换信号除去噪声成分。
供给部30如图4所示具有信号输出部31及开关部32，具有向信号线22供给电压的功能。信号输出部31由栅极中被输入信号CLIP的晶体管M11构成，生成基于信号CLIP的电压电平的信号并输出。晶体管M11的漏极经由电源线122与电极200(参照图2)连接，被供给电源电压VDD。晶体管M11的源极经由开关部32与信号线22连接。
开关部32由根据信号CLIP＿SW被控制的晶体管M12构成，将信号输出部31与信号线22电连接或切断。开关部32的晶体管M12在ON状态的情况下，能够将来自信号输出部31的信号输出到信号线22。在本实施方式中，在开关部32为ON状态的情况下，信号线22的电压(电位)根据信号输出部31被限制为以基于信号CLIP的电压为下限值的范围内的值。供给部30向信号线22供给电压，使得信号线22的电压不成为规定的电压以下。供给部30也可以说是限制信号线22的电压的限制部30。也可以说供给部30向信号线22供给电压，控制(调整)信号线22的电压，使得信号线22的电压成为从电源电压VDD至基于信号CLIP的电压的值。
像素控制部35包含开关及缓冲存储器而构成，由读出控制部70控制。像素控制部35向像素块20的像素10供给上述的信号TX、信号RST、信号SEL等信号，控制各像素10的动作。像素控制部35向像素10的各晶体管的栅极供给信号，使晶体管成为ON状态(连接状态、导通状态、短路状态)或OFF状态(切断状态、非导通状态、开放状态、截止状态)。
读出控制部70及像素控制部35通过控制向像素10输入的信号TX及信号SEL等，来控制在像素块20中进行电荷蓄存的期间及读出像素信号的定时。按每个像素块20设置的像素控制部35既能够以电荷蓄存时间在每个像素块20中不同的方式控制像素10，也能够以电荷蓄存时间在所有像素块20中相同的方式控制像素10。另外，各像素控制部35既能够以读出像素信号的定时在每个像素块20中不同的方式控制像素10，也能够以读出像素信号的定时在所有像素块20中相同的方式控制像素10。像素控制部35通过以使电荷蓄存时间在每个像素块20中不同的方式控制像素10，即使存在多个被摄体，也能够与各被摄体的明亮度相应地进行拍摄。另外，像素控制部35通过以使读出像素信号的定时在每个像素块20中不同的方式控制像素10，即使存在多个被摄体，也能够与各被摄体的移动速度相应地进行拍摄。
供给控制部36包含开关及缓冲存储器而构成，由读出控制部70控制。如上述那样，像素控制部35能够以使电荷蓄存时间在每个像素块20中不同的方式控制像素10，能够以使读出像素信号的定时在每个像素块20中不同的方式控制像素10。该情况下，由于在各块20中向信号线22输出信号的定时不同，所以供给控制部36必须在每个像素块20中控制各开关部32的动作。供给控制部36向像素块20的开关部32供给上述的信号CLIP＿SW，从而控制各开关部32的动作。供给控制部36对开关部32进行开关控制，使得电压从信号输出部31向信号线22的供给开始及停止。在本实施方式中，按每个像素块20设置的供给控制部36基于在像素块20中进行暗信号及光电转换信号的读出的定时，调整从信号输出部31向信号线22供给电压的定时。例如，对各个像素块20设置的供给控制部36以能够在不同定时向对某个像素块20设置的信号线22和对其他像素块20设置的信号线22供给电压的方式控制开关部32。此外，各供给控制部36也可以以能够在所有像素块20中在相同定时供给电压的方式控制各开关部32。
读出控制部70在多个像素块20中共通地设置。读出控制部70由包含定时发生器的多个电路构成，配置于第2基板112。读出控制部70由相机1的控制部4控制。读出控制部70通过控制经由像素控制部35向像素10输入的信号TX、信号RST、信号SEL等信号，来控制像素10的动作。另外，读出控制部70通过控制经由供给控制部36向供给部30输入的信号CLIP＿SW，来控制供给部30的动作。
此外，上述的供给控制部36配置于第2基板112。像素控制部35既可以配置于第1基板111及第2基板112中的某一方的基板，也可以分开配置于第1基板111和第2基板112。还可以将像素控制部35配置于与第1基板111和第2基板112不同的基板。读出控制部70也可以分开配置于第1基板111和第2基板112，还可以配置于第1基板111。还可以将读出控制部70配置于与第1基板111和第2基板112不同的基板。
通过像素10的选择部16和供给部30的开关部32分别成为ON状态，放大部15的源极和信号输出部31的源极与信号线22电连接。该情况下，根据放大部15的栅极的电压(即，FD13的电压)与供给部30的栅极的电压(即，信号CLIP的电压)的大小关系，基于与信号线22连接的电流源25的电流流动的路径发生变化。
在FD13的电压比信号CLIP的电压高的情况下，电流源25的电流主要经由信号线22及选择部16流到放大部15。放大部15向信号线22输出基于FD13的电压的信号。由此，信号线22的电压成为与FD13的电压相应的电压。在FD13的电压比信号CLIP的电压低的情况下，电流源25的电流主要经由信号线22及开关部32流到信号输出部31。此时，信号输出部31通过向信号线22输出基于信号CLIP的电压的信号，将信号线22的电压限制为基于信号CLIP的电压的电压。信号线22的电压成为与信号CLIP的电压相应的电压。
像这样，供给部(限制部)30在开关部32为ON状态的情况下，与FD13的电压和信号CLIP的电压相应地，限制信号线22的电压。供给部30的晶体管M11是限制(限幅：clip)信号线22的电压的晶体管，也存在称为限幅晶体管或箍位晶体管的情况。在FD13的电压比较低的情况下，信号线22的电压被限制为基于信号CLIP的电压。由此，能够避免信号线22的电压降低而电流源25不再正常动作。其结果为，能够防止不再供给电流源25的电流。另外，能够防止信号线22的电压成为预想范围外的电压并输入到读出部60。
另外，在本实施方式的拍摄元件3中，在进行暗信号的读出的情况和进行光电转换信号的读出的情况下，不同的信号电平的信号CLIP被输入到供给部30。由此，供给部30在进行暗信号的读出的情况和进行光电转换信号的读出的情况下，能够向信号线22供给不同的电压。
在进行暗信号的读出的情况下，在信号输出部31的晶体管M11的栅极中，被供给第1电压V1。该情况下，信号线22的电压被限制为基于第1电压V1的电压成为下限。由此，作为暗信号输出到读出部60的信号的电压受到限制。在进行光电转换信号的读出的情况下，在晶体管M11的栅极中，被供给比第1电压V1低的第2电压V2。该情况下，信号线22的电压被限制为基于第2电压V2的电压成为下限。由此，作为光电转换信号输出到读出部60的信号的电压受到限制。
存在因像素缺陷而电荷蓄存于FD13、暗信号的电压降低的情况。在对高亮度的被摄体进行摄像时，也存在电荷蓄存于FD13而产生暗信号的电压的降低的情况。在这样的情况下，暗信号与光电转换信号之差变小，使用CDS处理后的信号而生成的图像的画质可能变低。在本实施方式中，如上述那样限制暗信号的电压，能够确保暗信号的信号电平与光电转换信号的信号电平之差。因此，能够抑制因暗信号与光电转换信号之差变小而图像的品质降低。
上述的第2电压V2确定为，信号线22的电压不会下降得比电流源25的晶体管M5的动作所需的电压低，且信号线22的电压能够取为尽可能低的电压。由此，能够抑制在由光电转换部11生成的电荷传输到FD13的情况下产生的信号线22的电压变化被阻碍。另外，能够抑制电流源25的电流变动，抑制在向信号线22输出的光电转换信号中混入噪声。
图5及图6分别是表示第1实施方式的拍摄元件3的动作例的时间图。在图5及图6所示的时间图中，纵轴示出信号的电压电平，横轴示出时刻。FD示出FD13的信号(电压信号)，VOUT示出向信号线22输出的信号。在图5及图6所示的例子中，信号CLIP＿SW被设为高电平，供给部30的开关部32成为ON状态。在图5及图6中，输入高电平(例如电源电压VDD)的控制信号(信号SEL、信号RST、信号TX)的晶体管成为ON状态，输入低电平(例如接地电压)的控制信号的晶体管成为OFF状态。
在图5所示的时刻t1，信号RST成为高电平，由此像素10的重置部14的晶体管M2成为ON状态，FD13与电源线121电连接。由此，FD13的电荷被重置，FD13的电压成为重置电压。另外，在时刻t1，信号SEL成为高电平，由此选择部16的晶体管M4成为ON状态。由此，放大部15及选择部16能够将基于像素10的重置电压得到的信号、即对像素10的FD13的电荷进行重置后的信号输出到信号线22。在时刻t2，信号RST成为低电平，由此重置部14的晶体管M2成为OFF状态。
供给部30的信号输出部31输入了第1电压V1的信号CLIP，为能够向信号线22供给基于第1电压V1的电压(图5中虚线所示的限幅电压Vc1)的状态。在图5所示的例子中，在时刻t2至时刻t3的期间，FD13的电压(图5所示的FD的电压)比作为信号CLIP的电压的第1电压V1高。因此，向信号线22输出的信号VOUT的电压成为基于FD13的电压的电压、即基于对FD13中蓄存的电荷进行重置后的重置电压的电压。
在时刻t3，读出部60的处理部50将成为基于重置电压的电压的信号VOUT取样为暗信号。也可以说是在时刻t3确定了暗信号的电压。处理部50的AD转换部40将暗信号转换成数字信号。在时刻t4，在信号输出部31中被输入比第1电压V1低的第2电压V2的信号CLIP。信号CLIP的电压从第1电压V1变为第2电压V2，信号输出部31成为能够向信号线22供给基于第2电压V2的电压(图5中虚线所示的限幅电压Vc2)的状态。
在时刻t5，信号TX成为高电平，由此传输部12的晶体管M1成为ON状态，由光电转换部11光电转换得到的电荷被传输到FD13。由此，FD13的电压成为基于从光电转换部11传输的电荷得到的电压。另外，由于信号SEL为高电平，所以放大部15及选择部16为能够向信号线22输出基于由光电转换部11生成的电荷得到的信号的状态。在时刻t6，信号TX成为低电平，由此传输部12的晶体管M1成为OFF状态。
在图5所示的例子中，在时刻t6至时刻t7的期间，FD13的电压比作为信号CLIP的电压的第2电压V2高。因此，向信号线22输出的信号VOUT的电压成为基于FD13的电压的电压，即基于由光电转换部11光电转换得到的电荷的电压。
在时刻t7，处理部50将成为基于由光电转换部11光电转换得到的电荷的电压的信号VOUT取样为光电转换信号。也可以说是在时刻t7确定了光电转换信号的电压。处理部50的AD转换部40将光电转换信号转换成数字信号。处理部50对转换成数字信号的暗信号及光电转换信号进行CDS，进行暗信号与光电转换信号的差分处理。处理部50在进行了CDS处理等信号处理后，将处理后的信号输出到控制部4。
接下来，参照图6，说明拍摄元件3的动作的其他例子。在图6所示的时刻t11，信号RST成为高电平，由此像素10的重置部14的晶体管M2成为ON状态。由此，FD13的电荷被重置，FD13的电压成为重置电压。另外，在时刻t11，信号SEL成为高电平，由此选择部16的晶体管M4成为ON状态。由此，放大部15及选择部16能够向信号线22输出基于像素10的重置电压得到的信号。在时刻t12，信号RST成为低电平，由此重置部14的晶体管M2成为OFF状态。
供给部30的信号输出部31输入了第1电压V1的信号CLIP，为能够向信号线22供给基于第1电压V1的电压(限幅电压Vc1)的状态。在图6所示的例子中，在时刻t12至时刻t13的期间，FD13的电压比作为信号CLIP的电压的第1电压V1高。因此，向信号线22输出的信号VOUT的电压成为基于FD13的重置电压的电压。
在时刻t13，读出部60的处理部50将成为基于重置电压的电压的信号VOUT取样为暗信号。处理部50将暗信号转换成数字信号。在时刻t14，信号输出部31输入比第1电压V1低的第2电压V2的信号CLIP，成为能够向信号线22供给基于第2电压V2的电压(限幅电压Vc2)的状态。
在时刻t15，信号TX成为高电平，由此传输部12的晶体管M1成为ON状态，由光电转换部11光电转换得到的电荷被传输到FD13。由此，FD13的电压成为基于从光电转换部11传输的电荷得到的电压。另外，由于信号SEL为高电平，所以放大部15及选择部16为能够向信号线22输出基于由光电转换部11生成的电荷得到的信号的状态。在时刻t16，信号TX成为低电平，由此传输部12的晶体管M1成为OFF状态。
在图6所示的例子中，在时刻t16至时刻t17的期间，FD13的电压比作为信号CLIP的电压的第2电压V2低。因此，向信号线22输出的信号VOUT的电压被限制为基于第2电压V2的电压、即限幅电压Vc2。
在时刻t17，处理部50将成为限幅电压Vc2的信号VOUT取样为光电转换信号。处理部50将光电转换信号转换成数字信号。处理部50在使用被转换成数字信号的暗信号和光电转换信号进行了CDS处理等信号处理后，将处理后的信号输出到控制部4。像这样，在本实施方式中，供给部30在进行暗信号的读出的情况和进行光电转换信号的读出的情况下，输入互不相同的信号电平的信号CLIP。供给部30通过与信号CLIP的电压及FD13的电压相应地向信号线22供给电压，能够限制信号线22的电压。
如图4所示，按每个信号线22设置的各电流源25的晶体管M5的栅极共通地与输入信号VB的信号线连接。另外，在被输出像素信号的信号线22和与该信号线22连接的晶体管M5的栅极之间，可能附加寄生电容(负载电容)。因该寄生电容的影响，信号VB的电压根据信号线22的电压变动而变动，在各电流源25流动的电流的大小可能变动。暂且考虑拍摄元件3不具有供给部30的情况下，在信号线22的电压大幅降低的同时信号VB的电压也大幅降低，从电流源25供给的电流减少，或者不再从电流源25供给电流。在对某个像素块20设置的信号线22的电压发生了变动的情况下，因向各电流源25共通供给的信号VB的电压变动，而对其他像素块20设置的信号线22的电压也会变动。
另一方面，在本实施方式的拍摄元件3中，按每个像素块20而设有供给部30。供给部30在开关部32成为ON状态的情况下能够向信号线22供给基于信号CLIP的电压，能够限制信号线22的电压。因此，拍摄元件3通过限制信号线22的电压，能够抑制信号VB的电压的变动。由此，能够抑制因信号VB的电压变动引起的噪声混入向信号线22输出的信号(光电转换信号、暗信号)。
在本实施方式中，在FD13的电压比较低的情况下，进行限制信号线22的电压的动作(限幅动作)，在FD13的电压比较高的情况下，不进行限幅动作。在进行限幅动作时和不进行限幅动作时，如上述那样基于电流源25的电流的流动路径变化。在进行限幅动作的情况下，电流源25的电流在电源线122与图4所示的布线(接地线)131之间经由供给部30的信号输出部31而流动。在不进行限幅动作的情况下，电流源25的电流在电源线121与接地线(接地布线)131之间经由像素10的放大部15而流动。由于在电源线121、电源线122及接地线131中如图4示意性所示那样附加有布线电阻，所以产生源于布线电阻的电压下降(IR压降)。
由于上述的电流路径的变化的影响，在进行限幅动作的情况和不进行限幅动作的情况下，电源线121、电源线122及接地线131中的电压下降量变化，经由电源线121对各像素10提供的电源电压VDD的值中可能产生差。在从多个像素块20同时进行信号读出的情况下，在进行信号读出的期间在其他像素块20中进行限幅动作的像素块20和在进行信号读出的期间在其他像素块20中不进行限幅动作的像素块20中，在像素信号中产生源于电源电压VDD的变动的差异。另外，若在进行光电转换信号的读出时产生电源电压VDD的变动，则FD13的重置电压的信号电平、即与从光电转换部11传输的电荷相应地产生的成为电压变化的基准的信号电平可能变动。若在暗信号的读出期间和光电转换信号的读出期间在重置电压的信号电平中产生差，则使用与应设为光电转换信号的基准的信号电平不同的信号电平的暗信号进行CDS处理，在使用CDS处理后的信号生成的图像中产生例如晦黑或条纹。尤其是，在从不同电极经由不同电源线向像素10及供给部30供给电源电压的情况下，认为向进行限幅动作的情况和不进行限幅动作的情况下的像素10供给的电源电压的值的差变大。
在本实施方式中，像素10及供给部30与共通的电极200连接。另外，电源线121及电源线122通过多个布线126相互连接，因此能够减小从电极200到像素10及供给部30为止的路径的电阻值。由此，能够降低在进行限幅动作时和不进行限幅动作时对像素10提供的电源电压VDD之差。因此，能够抑制在各像素信号中产生源于电源电压的变动的差异。其结果为，能够在使用像素信号生成的图像中防止产生晦黑或条纹。
在本实施方式的拍摄元件3中，供给部30配置于第2基板112。因此，与在第1基板111内设置供给部30的情况相比较，能够增大光电转换部11的受光面积。能够防止像素的开口率降低。另外，不增大芯片面积就能够进行限幅动作，能够抑制使用像素信号生成的图像的画质降低。另外，在本实施方式中，供给控制部36配置于第2基板112。由于供给部30和供给控制部36设于同一基板，所以容易控制供给部30。
图7是表示第1实施方式的拍摄元件的一部分的布局的一例的图。在拍摄元件3的多个像素块20的各个像素块中，包含光电转换部11的像素10在作为第1方向的行方向(X方向)及与第1方向交叉的作为第2方向的列方向(Y方向)上配置多个。在图7所示的例子中，在像素块20中设有四个像素10。在拍摄元件3的第1基板111中，包含四个像素10的像素块20在行方向(水平方向)及列方向(垂直方向)配置多个。此外，在图7中，示意性地示出了设于拍摄元件3的布线的一部分。
按每个像素块20设置的信号线22与像素块20内的四个像素10分别连接，将像素信号传送到处理部50。布线126设于相邻的信号线22之间。布线126如上述那样被提供电源电压VDD，通过隔着信号线22设置，作为作为屏蔽件发挥功能。抑制信号线22彼此的耦合，能够抑制在向信号线22输出的像素信号中混入噪声。
图7所示的多个布线38示意性地表示分别传送上述的信号TX、信号RST及信号SEL的多个布线(控制线)。在将供给信号TX等的像素控制部35配置于第2基板112的情况下，如图7所示，也可以将控制线38配置于像素块20的角部(对角部)。该情况下，由于控制线38相对于信号线22分开配置，所以能够抑制基于控制线38的信号(信号TX、信号RST及信号SEL等)产生的噪声对信号线22带来影响。
根据上述实施方式，起到如下作用效果。
(1)拍摄元件3具备：第1基板111，其设有通过光电转换而生成电荷的光电转换部11、和被输出基于由光电转换部11生成的电荷得到的信号的信号线22；以及第2基板112，其设有对信号线22进行电压供给的供给部30、和对输出到信号线22的信号进行处理的处理部50，第2基板112层叠于第1基板111。在本实施方式中，在第1基板111配置具有光电转换部11的像素10，在第2基板112配置供给部30。因此，不增大芯片面积就能够进行限幅动作，能够防止像素信号的品质降低。由此，能够抑制使用像素信号生成的图像的画质降低。与在第1基板111内设置供给部30的情况相比较，能够增大光电转换部11的受光面积，能够抑制像素的开口率降低。
(2)在本实施方式中，具有多个处理部50的读出部60配置于第2基板112。因此，不增大芯片面积就能够配置用于处理像素信号的多个电路。另外，能够抑制像素的开口率降低。
如下变形也在本发明的范围内，也能够将一个或多个变形例与上述实施方式组合。
(变形例1)
在上述实施方式中，说明了供给部30具有信号输出部31及开关部32的例子，但供给部30的结构不限于此。也可以将供给部30设为不具有开关部32的结构。信号输出部31不经由开关部32而与信号线22电连接，且在进行暗信号的读出的情况和进行光电转换信号的读出的情况下，均能够向信号线22供给电压。在本变形例中，能够删减开关部32，能够降低芯片面积。
(变形例2)
也可以按每个像素10而设置信号输出部31。例如，在像素块20由四个像素10构成的情况下，可以在每个像素块20中配置四个信号输出部31和四个开关部32。此外，也可以仅在每个像素10中配置信号输出部31及开关部32中的信号输出部31，而不配置开关部32。
也可以使用不同布线对每个信号输出部31或每多个信号输出部31供给信号CLIP。该情况下，能够减少与一个布线连接的信号输出部31的数量，能够高速地进行信号CLIP的信号电平的切换。
(变形例3)
在上述实施方式中，说明了在每个像素块20设置信号线22及供给部30的例子。但是，也可以对每个像素10配置信号线22，且对每个信号线22配置供给部30。该情况下，也可以对每个像素10配置像素控制部35，对每个供给部30配置供给控制部36。各供给控制部36可以以在不同定时向每个信号线22供给电压的方式，控制按每个信号线22设置的供给部30。
(变形例4)
图8是表示变形例4的拍摄元件的结构例的框图。如图8所示，也可以从不同电极向像素10及供给部30供给电源电压。在图8所示的例子中，在像素10中，被从电极201经由电源线121供给电源电压VDD1，在供给部30中，被从电极202经由电源线122供给电源电压VDD2。可以以从电极201到各像素10为止的路径的电阻值与从电极202到各供给部30为止的路径的电阻值相等的方式形成电源线121及电源线122。此外，电源电压VDD1和电源电压VDD2既可以为不同值，也可以为例如电源电压VDD2是比电压VDD1低的电压。该情况下，能够通过比向像素10供给的电源电压VDD1低的电源电压VDD2来使供给部30动作。能够减少拍摄元件3的耗电。
(变形例5)
图9是表示变形例5的拍摄元件的结构例的框图。如图9所示，在第1基板111中，也可以不设置将电极200与各像素10连接的电源线121。该情况下，在各像素10中，被从电极200经由电源线122和布线126供给电源电压VDD。在本变形例中，能够减少配置于第1基板111的布线。
(变形例6)
像素10及供给部30既可以使用NMOS晶体管而构成，也可以使用PMOS晶体管而构成。还可以使用NMOS晶体管及PMOS晶体管双方构成像素10及供给部30。在放大部15及信号输出部31由NMOS晶体管构成的情况下，可以在进行光电转换信号的读出时，如上述那样，向信号输出部31供给比进行暗信号的读出时低的电压的信号CLIP。在放大部15及信号输出部31由PMOS晶体管构成的情况下，可以在进行光电转换信号的读出时向信号输出部31供给比进行暗信号的读出时高的电压的信号CLIP。供给部30向信号线22供给电压，使得信号线22的电压成为从电源电压(或接地电压)到基于信号CLIP得到的电压的值。信号线22的电压通过供给部30被限制为成为以基于信号CLIP得到的电压为上限值或下限值的范围内的值。
(变形例7)
在上述实施方式中，说明了拍摄元件3将第1基板111和第2基板112层叠而构成的例子。但是，第1基板111和第2基板112也可以不层叠。
(变形例8)
在上述实施方式中，说明了拍摄元件3为背面照射型的结构的例子。但是，也可以将拍摄元件3设为在光入射的入射面侧设置布线层101的表面照射型的结构。
(变形例9)
在上述实施方式及变形例中，作为光电转换部对使用光电二极管的例子进行了说明。但是，作为光电转换部也可以使用光电转换膜(有机光电膜)。
(变形例10)
上述实施方式及变形例中说明的拍摄元件及拍摄装置也可以适用于相机、内置于智能手机、平板电脑、PC的摄像头、车载摄像头、搭载于无人航空器(无人机、无线电操纵机等)的摄像头等。
上述中，说明了各种实施方式及变形例，但本发明不限定于这些内容。本发明的技术思想的范围内想到的其他方式也包含在本发明的范围内。
下面的优先权基础申请的公开内容作为引用文引入于此。
日本国特愿2019-180781号(2019年9月30日提出申请)
附图标记说明
1…拍摄装置，3…拍摄元件，4…控制部，10…像素，11…光电转换部，20…像素块，30…供给部，35…像素控制部，36…供给控制部，40…AD转换部，50…处理部，60…读出部，70…读出控制部，111…第1基板，112…第2基板。

Claims (19)

1.一种拍摄元件，具备：
第1基板，其设有通过光电转换而生成电荷的光电转换部、和被输出基于由所述光电转换部生成的电荷得到的信号的信号线；以及
第2基板，其设有对所述信号线进行电压供给以使得所述信号线的电压不成为规定电压以下的供给部、和对输出到所述信号线的信号进行处理的处理部，该第2基板层叠于所述第1基板。
2.如权利要求1所述的拍摄元件，其中，
所述供给部在基于由所述光电转换部生成的电荷得到的信号被向所述信号线输出时和用于除去基于由所述光电转换部生成的电荷得到的信号的噪声的信号被输出时，向所述信号线供给不同的电压。
3.如权利要求1或2所述的拍摄元件，其中，
所述供给部在基于由所述光电转换部生成的电荷得到的信号被向所述信号线输出时，向所述信号线供给比用于除去基于由所述光电转换部生成的电荷得到的信号的噪声的信号被输出时低的电压。
4.如权利要求1至3中任一项所述的拍摄元件，其中，
所述光电转换部在第1区域和不同于所述第1区域的第2区域中分别沿第1方向及与所述第1方向交叉的第2方向配置多个。
5.如权利要求4所述的拍摄元件，其中，
所述信号线具备被输出基于由配置于所述第1区域的多个所述光电转换部生成的电荷得到的信号的第1信号线、和被输出基于由配置于所述第2区域的多个所述光电转换部生成的电荷得到的信号的第2信号线，
所述处理部具有对输出到所述第1信号线的信号进行处理的第1处理部、和对输出到所述第2信号线的信号进行处理的第2处理部。
6.如权利要求4或5所述的拍摄元件，其中，
所述信号线分别配置于所述第1区域和所述第2区域，
所述供给部具有向设于所述第1区域的所述信号线供给电压的第1供给部、和向设于所述第2区域的所述信号线供给电压的第2供给部。
7.如权利要求6所述的拍摄元件，其中，具备：
控制所述第1供给部的第1控制部；和
控制所述第2供给部的第2控制部。
8.如权利要求7所述的拍摄元件，其中，
所述第1控制部和所述第2控制部分别以能够在不同定时向设于所述第1区域的所述信号线和设于所述第2区域的所述信号线供给电压的方式控制所述第1供给部和所述第2供给部。
9.如权利要求1至3中任一项所述的拍摄元件，其中，
所述信号线按每个所述光电转换部而设置，
所述供给部按每个所述信号线而设置。
10.如权利要求9所述的拍摄元件，其中，
按每个所述供给部而具备控制所述供给部的控制部。
11.如权利要求10所述的拍摄元件，其中，
所述控制部以能够在不同定时向每个所述信号线供给电压的方式控制所述供给部。
12.如权利要求1至11中任一项所述的拍摄元件，其中，
具备设于所述第1基板且被供给电源电压的电极，
所述信号线和所述供给部与所述电极连接。
13.如权利要求12所述的拍摄元件，其中，
具备贯穿所述第1基板的第1布线，
所述供给部经由所述第1布线与所述电极连接。
14.如权利要求13所述的拍摄元件，其中，
所述信号线经由所述第1布线与所述电极连接。
15.如权利要求12至14中任一项所述的拍摄元件，其中，
具备设于多个所述光电转换部与所述供给部之间的第2布线，
所述供给部经由所述第2布线与所述电极连接。
16.如权利要求15所述的拍摄元件，其中，
所述信号线经由所述第2布线与所述电极连接。
17.如权利要求1至11中任一项所述的拍摄元件，其中，具备：
设于所述第1基板且被供给第1电源电压的第1电极；
设于所述第1基板且被供给第2电源电压的第2电极；和
贯穿所述第1基板的第1布线，
所述第1电极与所述信号线连接，
所述第2电极经由所述第1布线与所述供给部连接。
18.如权利要求1至17中任一项所述的拍摄元件，其中，
所述处理部具有将输出到所述信号线的模拟信号转换成数字信号的AD转换部。
19.一种拍摄装置，具备：
权利要求1至18中任一项所述的拍摄元件；和
基于由所述处理部处理后的信号而生成图像数据的生成部。
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