CN114531948A - 摄像元件以及摄像装置 - Google Patents

摄像元件以及摄像装置 Download PDF

Info

Publication number
CN114531948A
CN114531948A CN202080067636.1A CN202080067636A CN114531948A CN 114531948 A CN114531948 A CN 114531948A CN 202080067636 A CN202080067636 A CN 202080067636A CN 114531948 A CN114531948 A CN 114531948A
Authority
CN
China
Prior art keywords
signal
signal line
unit
voltage
photoelectric conversion
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
CN202080067636.1A
Other languages
English (en)
Inventor
安藤良次
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Nikon Corp
Original Assignee
Nikon Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Nikon Corp filed Critical Nikon Corp
Publication of CN114531948A publication Critical patent/CN114531948A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04N—PICTORIAL COMMUNICATION, e.g. TELEVISION
    • H04N25/00—Circuitry of solid-state image sensors [SSIS]; Control thereof
    • H04N25/60—Noise processing, e.g. detecting, correcting, reducing or removing noise
    • H04N25/616—Noise processing, e.g. detecting, correcting, reducing or removing noise involving a correlated sampling function, e.g. correlated double sampling [CDS] or triple sampling
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04N—PICTORIAL COMMUNICATION, e.g. TELEVISION
    • H04N25/00—Circuitry of solid-state image sensors [SSIS]; Control thereof
    • H04N25/70—SSIS architectures; Circuits associated therewith
    • H04N25/709—Circuitry for control of the power supply
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04N—PICTORIAL COMMUNICATION, e.g. TELEVISION
    • H04N23/00—Cameras or camera modules comprising electronic image sensors; Control thereof
    • H04N23/50—Constructional details
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04N—PICTORIAL COMMUNICATION, e.g. TELEVISION
    • H04N23/00—Cameras or camera modules comprising electronic image sensors; Control thereof
    • H04N23/50—Constructional details
    • H04N23/54—Mounting of pick-up tubes, electronic image sensors, deviation or focusing coils
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04N—PICTORIAL COMMUNICATION, e.g. TELEVISION
    • H04N23/00—Cameras or camera modules comprising electronic image sensors; Control thereof
    • H04N23/50—Constructional details
    • H04N23/55—Optical parts specially adapted for electronic image sensors; Mounting thereof
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04N—PICTORIAL COMMUNICATION, e.g. TELEVISION
    • H04N25/00—Circuitry of solid-state image sensors [SSIS]; Control thereof
    • H04N25/60—Noise processing, e.g. detecting, correcting, reducing or removing noise
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04N—PICTORIAL COMMUNICATION, e.g. TELEVISION
    • H04N25/00—Circuitry of solid-state image sensors [SSIS]; Control thereof
    • H04N25/70—SSIS architectures; Circuits associated therewith
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04N—PICTORIAL COMMUNICATION, e.g. TELEVISION
    • H04N25/00—Circuitry of solid-state image sensors [SSIS]; Control thereof
    • H04N25/70—SSIS architectures; Circuits associated therewith
    • H04N25/71—Charge-coupled device [CCD] sensors; Charge-transfer registers specially adapted for CCD sensors
    • H04N25/75—Circuitry for providing, modifying or processing image signals from the pixel array
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04N—PICTORIAL COMMUNICATION, e.g. TELEVISION
    • H04N25/00—Circuitry of solid-state image sensors [SSIS]; Control thereof
    • H04N25/70—SSIS architectures; Circuits associated therewith
    • H04N25/76—Addressed sensors, e.g. MOS or CMOS sensors
    • H04N25/77—Pixel circuitry, e.g. memories, A/D converters, pixel amplifiers, shared circuits or shared components
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04N—PICTORIAL COMMUNICATION, e.g. TELEVISION
    • H04N25/00—Circuitry of solid-state image sensors [SSIS]; Control thereof
    • H04N25/70—SSIS architectures; Circuits associated therewith
    • H04N25/79—Arrangements of circuitry being divided between different or multiple substrates, chips or circuit boards, e.g. stacked image sensors

Abstract

摄像元件具备：第1基板，其设有通过光电转换而生成电荷的光电转换部、被输出基于由所述光电转换部生成的电荷的信号的信号线、和以不使所述信号线的电压变为规定电压以下的方式向所述信号线供给电压的供给部；以及层叠于所述第1基板的第2基板，其设有对输出至所述信号线的信号进行处理的处理部。

Description

摄像元件以及摄像装置
技术领域
本发明涉及摄像元件以及摄像装置。
背景技术
已知有针对各列分别设有一个用于将从像素输出的信号钳位至规定的电压电平的晶体管的摄像元件(专利文献1)。以往以来追求画质的提高。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2004-222273号公报
发明内容
根据第一方面，摄像元件具备：第1基板，其设有通过光电转换而生成电荷的光电转换部、被输出基于由所述光电转换部生成的电荷的信号的信号线、和以不使所述信号线的电压变为规定电压以下的方式向所述信号线供给电压的供给部；层叠于所述第1基板的第2基板，其设有对输出至所述信号线的信号进行处理的处理部。
根据第二方面，摄像装置具备：基于第一方面的摄像元件；以及生成部，其基于由所述处理部处理的信号来生成图像数据。
附图说明
图1是示出第一实施方式的摄像装置的构成例的图。
图2是示出第一实施方式的摄像元件的构成例的框图。
图3是示出第一实施方式的摄像元件的一部分的剖面构造的一例的图。
图4是示出第一实施方式的摄像元件的一部分的构成例的图。
图5是示出第一实施方式的摄像元件的动作例的时间图。
图6是示出第一实施方式的摄像元件的动作例的时间图。
图7是示出第一实施方式的摄像元件的一部分的布局的一例的图。
图8是示出变形例的摄像元件的一部分的布局的一例的图。
图9是示出变形例的摄像元件的一部分的布局的另一例的图。
具体实施方式
(第一实施方式)
图1是示出作为第一实施方式的摄像装置的一例的相机1的构成例的图。相机1具备拍摄光学系统(成像光学系统)2、摄像元件3、控制部4、存储器5、显示部6、以及操作部7。拍摄光学系统2具有包括焦点调节透镜(聚焦透镜)在内的多个透镜以及开口光圈，在摄像元件3成像被摄体像。此外，拍摄光学系统2也可以设为能够从相机1装拆。
摄像元件3为CMOS图像传感器、CCD图像传感器等的摄像元件。摄像元件3接受从拍摄光学系统2通过的光束，拍摄由拍摄光学系统2形成的被摄体像。在摄像元件3呈二维状(沿行方向以及列方向)地配置有具有光电转换部的多个像素。光电转换部由光电二极管(PD)构成。摄像元件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至控制部4。
存储器5为存储卡等的记录介质。在存储器5记录有图像数据、控制程序等。向存储器5写入数据、以及从存储器5读出数据是由控制部4来控制的。显示部6显示基于图像数据的图像、快门速度、光圈值等的与拍摄有关的信息、以及菜单画面等。操作部7包括释放按钮、电源开关、用于对各种模式进行切换的开关等的各种设定开关等，将基于各自的操作的信号输出至控制部4。
控制部4由CPU、FPGA、ASIC等的处理器、以及ROM、RAM等的存储器构成，基于控制程序控制相机1的各部分。控制部4将控制摄像元件3的信号供给至摄像元件3，控制摄像元件3的动作。控制部4在进行静止图像拍摄的情况下、在进行动态图像拍摄的情况下、在显示部6显示被摄体的实时显示图像(实时取景图像)的情况下等，使摄像元件3拍摄被摄体像并输出信号。
控制部4对从摄像元件3输出的信号进行各种图像处理来生成图像数据。控制部4也为生成图像数据的生成部4，基于从摄像元件3输出的信号来生成静止图像数据、动态图像数据。图像处理包括灰度转换处理、颜色插补处理等的图像处理。
图2是示出第一实施方式的摄像元件的构成例的框图。摄像元件3层叠设有多个像素10的第1基板111与设有读出部60的第2基板112来构成。第1基板111以及第2基板112分别使用半导体基板来构成。设于第1基板111的电路、以及设于第2基板112的电路利用电极、凸块等的连接部电连接。
第1基板111具备分别配置有多个像素10的多个区域20。在图2示出的例子中，图示了4个区域20。这些4个区域20分别示出了将供第1基板111的像素10配置的区域分成包括规定数量的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的像素的数量可以为2像素×2像素的4像素，也可以为4像素×4像素的16像素，可以为任意的数量。以下，将区域20称为像素块20。
针对每个像素块20，在第1基板111设有信号线22和后述的供给部30。另外，针对每个像素块20，在第1基板111设有像素控制部以及供给控制部，在后面进行详细说明。信号线22为将像素块20与读出部60连结的信号线，从像素10输出信号。信号线22为使用电极、凸块等连接部的信号线。
读出部60具有包括模拟/数字转换部(AD转换部)40在内的处理部50。处理部50针对每个像素块20而设置。在本实施方式的摄像元件3中，使用在像素块20分别设置的信号线22，并行进行来自多个像素块20的像素的信号的读出。读出部60能够使各像素块20的像素的信号同时(并行)向针对每个像素块20设置的处理部50输出，并在各处理部50中同时对像素的信号进行信号处理。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，因此，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将作为从像素块20的各像素10经由信号线22输入的模拟信号的像素的信号转换至数字信号。此外，处理部50也可以具有放大部，该放大部以规定的增益(增幅率)对经由信号线22输入的像素的信号进行增幅。在该情况下，AD转换部40将由放大部增幅的像素的信号转换成数字信号。
转换成数字信号的像素的信号在处理部50中被实施了相关双采样(CDS；Correlated Double Sampling)或修正信号量的处理等信号处理之后，被向相机1的控制部4输出。此外，也可以在未图示的信号处理部进行针对像素的信号的相关双采样等的信号处理。在该情况下，处理部50将利用AD转换部40转换成数字信号的像素的信号输出至信号处理部。信号处理部在相对于输入的像素的信号进行相关双采样等的信号处理之后，将处理后的像素的信号输出至控制部4。
在第1基板111中供各像素10配置的区域的周围设有供给(施加)电源电压VDD的多个电极(焊盘)200。电极200经由布线(电源线)121连接于配置于第1基板111的多个像素10和供给部30。在像素10以及供给部30经由电源线121供给电源电压VDD。电极200为由多个像素10以及供给部30共用的电极，如图2所示，配置在第1基板111的一面。
以下，参照附图进一步说明本实施方式的摄像元件3的构成。
图3是示出第一实施方式的摄像元件的一部分的剖面构造的一例的图。图4是示出第一实施方式的摄像元件的一部分的构成例的图。图3示出的摄像元件3为背面照射型的摄像元件。摄像元件3具备第1基板111、层叠设于第1基板111的布线层101、第2基板112、和层叠设于第2基板112的布线层102。布线层101以及布线层102分别为包括导体膜(金属膜)以及绝缘膜的布线层，配置有多个布线或连接部、层间绝缘膜等。
来自被摄体的光朝向图3的Z轴正方向入射。另外，如图3的坐标轴所示，将与Z轴正交的纸面右方向设为X轴正方向，将与Z轴以及X轴正交的纸面近前方向设为Y轴正方向。在此后的图中，也有以图3的坐标轴为基准了解各个图的朝向的方式显示坐标轴的情况。在第1基板111以及布线层101中，包括多个像素10以及供给部30在内的像素块20在X轴方向以及Y轴方向上配置有多个。在第2基板112以及布线层102中，处理部50在X轴方向以及Y轴方向配置有多个。
在图4中，示出了设于摄像元件3的多个像素10中的一部分像素10、一部分电流源25以及供给部30、一部分像素控制部35以及供给控制部36、以及读出控制部70。电流源25以及供给部30相对于信号线22设置。像素控制部35以及供给控制部36分别针对每个像素块20来配置。此外，在图4中，为了简化附图，针对一个像素块20仅图示一个像素10。
像素10具有光电转换部11、传输部12、浮动扩散部(FD)13、复位部14、增幅部15和选择部16。光电转换部11为光电二极管PD，将入射的光转换成电荷，并蓄积光电转换后的电荷。
传输部12由利用信号TX控制的晶体管M1来构成，将利用光电转换部11光电转换后的电荷传输至FD13。晶体管M1为传输晶体管。FD13将向FD13传输的电荷蓄积(保持)，并转换除以电容值而得到的电压。FD13为蓄积部13，蓄积利用光电转换部11生成的电荷。
增幅部15由栅极(端子)连接于FD13的晶体管M3构成，对基于蓄积至FD13的电荷的信号进行增幅并输出。晶体管M3的漏极(端子)经由电源线121而连接于电极200(参照图2)，被供给电源电压VDD。晶体管M3的源极(端子)经由选择部16而连接于信号线22。增幅部15将电流源25作为负载电流源，作为源极跟随电路的一部分起作用。晶体管M3为增幅晶体管。增幅部15和选择部16构成生成并输出基于由光电转换部11生成的电荷的信号的输出部。
复位部14由利用信号RST控制的晶体管M2构成，将FD13和电源线121电连接或者断开。复位部14将由FD13蓄积的电荷复位。复位部14排出蓄积在FD13内的电荷，将FD13的电压复位。晶体管M2为复位晶体管。选择部16由利用信号SEL控制的晶体管M4构成，将增幅部15和信号线22电连接或者断开。选择部16的晶体管M4在接通状态的情况下，将来自增幅部15的信号输出至信号线22。晶体管M4为选择晶体管。
电流源25包含向栅极输入信号VB的晶体管M5而构成。电流源25经由信号线22而连接于像素块20的各像素10和供给部30。电流源25基于信号VB的信号电平生成电流，将生成的电流供给至信号线22、像素10、以及供给部30。此外，电流源25也可以利用级联连接的两个晶体管来构成。信号VB由未图示的信号生成部生成。信号生成部共用连接于针对每条信号线22设置的电流源25，将信号VB供给至各电流源25。各电流源25的晶体管M5的栅极彼此电连接，从信号生成部输入信号VB。
向信号线22依次输出在将FD13的电压复位时的信号(暗信号)、以及基于利用传输部12从光电转换部11传输至FD13的电荷的信号(光电转换信号)。暗信号用于包含在光电转换信号内的噪声的除去。暗信号也称为表示相对于光电转换信号的基准电平的模拟信号，用于光电转换信号的修正。光电转换信号为基于利用光电转换部11光电转换后的电荷生成的模拟信号。暗信号以及光电转换信号经由信号线22而输入至读出部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和暗信号的减法运算的运算部，进行基于光电转换信号和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以及开关部32，具有向信号线22供给电压的功能。信号输出部31由向栅极输入信号CLIP的晶体管M11构成，生成并输出基于信号CLIP的电压电平的信号。晶体管M11的漏极经由电源线121而连接于电极200(参照图2)，被供给电源电压VDD。晶体管M11的源极经由开关部32而连接于信号线22。
开关部32由利用信号CLIP_SW控制的晶体管M12构成，将信号输出部31和信号线22电连接或者断开。开关部32的晶体管M12在接通状态的情况下，能够将来自信号输出部31的信号输出至信号线22。在本实施方式中，在开关部32为接通状态的情况下，信号线22的电压(电位)利用信号输出部31被限制为将基于信号CLIP的电压设为下限值的范围内的值。供给部30以不使信号线22的电压成为规定的电压以下的方式向信号线22供给电压。供给部30也可以为限制信号线22的电压的限制部30。供给部30也可以说以信号线22的电压成为从电源电压VDD到基于信号CLIP的电压为止的值的方式向信号线22供给电压，对信号线22的电压进行控制(调整)。
像素控制部35包含开关以及缓冲器而构成，由读出控制部70控制。像素控制部35将上述的信号TX、信号RST、信号SEL等的信号供给至像素块20的像素10，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，将晶体管设为接通状态(连接状态、导通状态、短路状态)或者关断状态(断开状态、非导通状态、开放状态、截断状态)。
读出控制部70以及像素控制部35通过控制输入至像素10的信号TX以及信号SEL等，控制在像素块20中进行电荷的蓄积的期间、以及读取像素的信号的定时。针对每个像素块20设置的像素控制部35能够以使电荷蓄积时间根据每个像素块20而不同的方式控制像素10，还能以使电荷蓄积时间在所有像素块20中成为相同的方式控制像素10。另外，各像素控制部35能够以使读取像素的信号的定时根据每个像素块20而不同的方式控制像素10，还能够以使读取像素的信号的定时在所有像素块20中成为相同的方式控制像素10。像素控制部35以针对每个像素块20使电荷蓄积时间不同的方式控制像素10，由此，即使存在多个被摄体，能够配合各被摄体的亮度进行拍摄。另外，像素控制部35以针对每个像素块20使读取像素的信号的定时不同的方式控制像素10，由此，即使存在多个被摄体，能够配合各被摄体移动的速度进行拍摄。
供给控制部36包括开关以及缓冲器而构成，利用读出控制部70来控制。如上所述，像素控制部35能够以使电荷蓄积时间按每个像素块20而不同的方式控制像素10、以及以使读取像素的信号的定时按照每个像素块20而不同的方式控制像素10。在该情况下，针对各块20向信号线22输出信号的定时不同，因此，供给控制部36必须针对每个像素块20控制各开关部32的动作。供给控制部36将上述的信号CLIP_SW供给至像素块20的开关部32，控制各开关部32的动作。供给控制部36对开关部32进行接通关断控制，开始以及停止从信号输出部31向信号线22供给电压。在本实施方式中，针对每个像素块20设置的供给控制部36基于在像素块20中进行暗信号以及光电转换信号的读出的定时，对在像素块20中从信号输出部31向信号线22供给电压的定时进行调整。例如，以能够在不同的定时向相对于某一像素块20设置的信号线22和相对于其他像素块20设置的信号线22供给电压的方式，各个像素块20的供给控制部36控制开关部32。此外，各供给控制部36可以以在所有像素块20中能够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共用地设于多个像素块20。读出控制部70由包括定时发生器在内的多个电路来构成，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等的信号，由此，控制像素10的动作。另外，读出控制部70控制经由供给控制部36而输入至供给部30的信号CLIP_SW，由此，控制供给部30的动作。
此外，上述像素控制部35以及供给控制部36也可以配置在第1基板111以及第2基板112的某一方基板，也可以分开配置在第1基板111和第2基板112。也可以将像素控制部35以及供给控制部36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可以分开配置在第1基板111和第2基板112，也可以配置在第1基板111。也可以将读出控制部70配置在与第1基板111和第2基板112不同的基板。
像素10的选择部16和供给部30的开关部32分别成为接通状态，由此，增幅部15的源极和信号输出部31的源极与信号线22电连接。在该情况下，基于增幅部15的栅极的电压(即，FD13的电压)和供给部30的栅极的电压(即，信号CLIP的电压)的大小关系，基于连接于信号线22的电流源25的电流流通的路径发生变化。
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以及选择部16流向增幅部15。增幅部15将基于FD13的电压的信号输出至信号线22。由此，信号线22的电压成为与FD13的电压对应的电压。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以及开关部32而流向信号输出部31。此时，信号输出部31将基于信号CLIP的电压的信号输出至信号线22，由此，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的电压对应的电压。
像这样，供给部(限制部)30在开关部32为接通状态的情况下，根据FD13的电压与信号CLIP的电压，限制信号线22的电压。供给部30的晶体管M11为限制(限幅)信号线22的电压的晶体管，也有称为限幅晶体管或者钳位晶体管的情况。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的电压下降导致电流源25变得无法正常动作。其结果为，能够防止无法供给电流源25的电流。另外，能够防止信号线22的电压成为想定的范围外的电压而输入至读出部60。
另外，在本实施方式的摄像元件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，将不同的信号电平的信号CLIP输入至供给部30。由此，供给部30在进行暗信号的读出的情况和在进行光电转换信号的读出的情况下，能够将不同的电压供给至信号线22。
在进行暗信号的读出的情况下，向信号输出部31的晶体管M11的栅极供给第一电压V1。在该情况下，信号线22的电压被限制为使基于第一电压V1的电压成为下限。由此，作为暗信号而输出至读出部60的信号的电压被限制。在进行光电转换信号的读出的情况下，向晶体管M11的栅极供给比第一电压V1低的第二电压V2。在该情况下，信号线22的电压被限制为使基于第二电压V2的电压成为下限。由此，作为光电转换信号而输出至读出部60的信号的电压被限制。
因缺少像素而将电荷蓄积在FD13内，有暗信号的电压下降的情况。在拍摄高亮度的被摄体时，也有电荷蓄积在FD13内而产生暗信号的电压下降。在这种情况下，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会下降。在本实施方式中，像上述那样能够限制暗信号的电压，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导致图像的品质下降。
上述的第二电压V2以使信号线22的电压不下降至电流源25的晶体管M5的动作所需的电压的方式、且以使信号线22的电压尽可能取低电压的方式来规定。由此，能够抑制妨碍在由光电转换部11生成的电荷传输至FD13的情况下产生的信号线22的电压的变化。另外，能够抑制电流源25的电流的变动，能够抑制向输出至信号线22的光电转换信号混入噪声。
图5以及图6分别是示出第一实施方式的摄像元件3的动作例的时间图。在图5以及图6示出的时间图中，纵轴表示信号的电压电平，横轴表示时刻。FD表示FD13的信号(电压信号)，VOUT表示向信号线22输出的信号。在图5以及图6示出的例子中，信号CLIP_SW被设为高电平，供给部30的开关部32成为接通状态。在图5以及图6中，被输入高电平(例如电源电压VDD)的控制信号(信号SEL、信号RST、信号TX)的晶体管成为接通状态，被输入低电平(例如接地电压)的控制信号的晶体管成为关断状态。
在图5示出的时刻t1，信号RST成为高电平，由此，像素10的复位部14的晶体管M2变为接通状态，FD13和电源线121电连接。由此，将FD13的电荷复位，FD13的电压成为复位电压。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变为接通状态。由此，增幅部15以及选择部16能够将基于像素10的复位电压的信号、即，将像素10的FD13的电荷复位后的信号输出至信号线22。在时刻t2，信号RST变为低电平，由此，复位部14的晶体管M2成为关断状态。
供给部30的信号输出部31被输入第一电压V1的信号CLIP，为能够将基于第一电压V1的电压(在图5中用虚线示出的限幅电压Vc1)供给至信号线22的状态。在图5示出的例子中，在从时刻t2到时刻t3为止的期间内，FD13的电压(图5示出的FD的电压)比作为信号CLIP的电压的第一电压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，成为基于在将蓄积在FD13内的电荷复位后的复位电压的电压。
在时刻t3，读出部60的处理部50对成为基于复位电压的电压的信号VOUT进行采样，来作为暗信号。也可以说，在时刻t3确定暗信号的电压。处理部50的AD转换部40将暗信号转换为数字信号。在时刻t4，向信号输出部31输入比第一电压V1低的第二电压V2的信号CLIP。信号CLIP的电压从第一电压V1变为第二电压V2，信号输出部31成为能够将基于第二电压V2的电压(在图5中用虚线示出的限幅电压Vc2)供给至信号线22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变为接通状态，由光电转换部11光电转换后的电荷被传输至FD13。由此，FD13的电压成为基于从光电转换部11传输的电荷的电压。另外，信号SEL为高电平，因此，增幅部15以及选择部16为能够将基于由光电转换部11生成的电荷的信号输出至信号线22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成为关断状态。
在图5示出的例子中，在从时刻t6到时刻t7为止的期间内，FD13的电压比作为信号CLIP的电压的第二电压V2高。因此，输出至信号线22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光电转换的电荷的电压。
在时刻t7，处理部50对成为基于由光电转换部11光电转换后的电荷的电压的信号VOUT进行采样，来作为光电转换信号。也可以说，在时刻t7确定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相对于转换成数字信号的暗信号以及光电转换信号进行CDS，CDS处理进行暗信号与光电转换信号的差分处理。处理部50在进行CDS处理等的信号处理之后，将处理后的信号输出至控制部4。
接着，参照图6说明摄像元件3的动作的另一例。在图6示出的时刻t11，信号RST成为高电平，由此，像素10的复位部14的晶体管M2变为接通状态。由此，将FD13的电荷复位，FD13的电压成为复位电压。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变为接通状态。由此，增幅部15以及选择部16能够将基于像素10的复位电压的信号输出至信号线22。在时刻t12，信号RST成为低电平，由此，复位部14的晶体管M2变为关断状态。
供给部30的信号输出部31为输入第一电压V1的信号CLIP，能够将基于第一电压V1的电压(限幅电压Vc1)供给至信号线22的状态。在图6示出的例子中，在从时刻t12到时刻t13为止的期间内，FD13的电压比作为信号CLIP的电压的第一电压V1高。因此，向信号线22输出的信号VOUT的电压成为基于FD13的复位电压的电压。
在时刻t13，读出部60的处理部50对成为基于复位电压的电压的信号VOUT进行采样，来作为暗信号。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为被输入比第一电压V1低的第二电压V2的信号CLIP，能够将基于第二电压V2的电压(限幅电压Vc2)供给至信号线22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成为接通状态，利用电转换部11光电转换得到的电荷被传输至FD13。由此，FD13的电压成为基于从光电转换部11传输来的电荷的电压。另外，信号SEL为高电平，因此，增幅部15以及选择部16为能够将基于利用光电转换部11生成的电荷的信号输出至信号线22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成为关断状态。
在图6示出的例子中，在从时刻t16到时刻t17为止的期间内，FD13的电压比作为信号CLIP的电压的第二电压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二电压V2的电压、即，限幅电压Vc2。
在时刻t17，处理部50对成为限幅电压Vc2的信号VOUT进行采样，来作为光电转换信号。处理部50将光电转换信号转换为数字信号。处理部50在使用转换成数字信号的暗信号和光电转换信号进行了CDS处理等的信号处理之后，将处理后的信号输出至控制部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下和在进行光电转换信号的读出的情况下，被输入彼此不同的信号电平的信号CLIP。供给部30根据信号CLIP的电压以及FD13的电压向信号线22供给电压，由此，能够限制信号线22的电压。
如图4所示，针对每条信号线22设置的各电流源25的晶体管M5的栅极共用地连接于被输入信号VB的信号线。另外，在被输出像素的信号的信号线22与连接于该信号线22的晶体管M5的栅极之间可附加寄生电容(负载电容)。由于该寄生电容的影响，根据信号线22的电压的变动使信号VB的电压变动，流过各电流源25的电流的大小会变动。假设在摄像元件3不具有供给部30的情况下，信号线22的电压大幅度下降，并且信号VB的电压也大幅度下降，考虑到从电流源25供给的电流减少、或变得不从电流源25供给电流。在相对于某一像素块20设置的信号线22的电压变动的情况下，因共用地供给至各电流源25的信号VB的电压变动，使得相对于其他像素块20设置的信号线22的电压也变动。
另一方面，在本实施方式的摄像元件3，针对每个像素块20设有供给部30。供给部30在开关部32为接通状态的情况下，能够将基于信号CLIP的电压供给至信号线22，能够限制信号线22的电压。因此，摄像元件3能够通过限制信号线22的电压来抑制信号VB的电压的变动。由此，能够抑制因信号VB的电压的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)的情况。
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，如上所述电流源25的电流的流通路径会变化。在进行限幅动作的情况下，电流源25的电流在电源线121与图4示出的布线(接地线)131之间经由供给部30的信号输出部31流过。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的增幅部15流过。如图4示意性示出那样，对电源线121与接地线131附加布线电阻，因此，产生因布线电阻引起的电压下降(IR压降)。
因上述电流路径的变化的影响，在进行限幅动作的情况下和不进行限幅动作的情况下，电源线121以及接地线131中的电压下降量会变化，经由电源线121赋予至各像素10的电源电压VDD的值会产生差异。在从多个像素块20同时进行信号的读出的情况下，在进行信号的读出的期间内在其他像素块20中进行限幅动作的像素块20、和在进行信号的读出的期间内在其他像素块20中不进行限幅动作的像素块20中，像素的信号会产生因电源电压VDD的变动引起的差异。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的复位电压的信号电平、即，成为根据从光电转换部11传输来的电荷而产生的电压变化的基准的信号电平会发生变动。若在暗信号的读出期间和光电转换信号的读出期间在复位电压的信号电平产生差异，则使用与应作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，使用CDS处理后的信号生成的图像会产生例如涂黑或纹路。特别是，在从不同的电极经由不同的电源线向像素10以及供给部30供给电源电压的情况下，认为在进行限幅动作的情况下和不进行限幅动作的情况下的向像素10供给的电源电压的值的差变大。
在本实施方式中，像素10和供给部30配置在同一第1基板111。另外，从共用的电极200经由共用的电源线121将电源电压VDD供给至像素10以及供给部30。由此，能够减小在进行限幅动作时和不进行限幅动作时赋予至像素10的电源电压VDD的差。因此，能够抑制在各像素的信号产生因电源电压的变动引起的差异。其结果为，能够防止在使用像素的信号生成的图像产生涂黑或纹路。
图7是表示第一实施方式的摄像元件的一部分的布局的一例的图。在摄像元件3的多个像素块20的每一个，沿作为第1方向的行方向(X方向)、以及作为与第1方向交叉的第2方向的列方向(Y方向)配置有多个包含光电转换部11在内的像素10。在图7示出的例子中，在像素块20设有4个像素10、4个开关部32、以及一个信号输出部31。在摄像元件3的第1基板111中，包括4个像素10在内的像素块20沿行方向(水平方向)以及列方向(垂直方向)配置有多个。4个开关部32和一个信号输出部31构成供给部30。此外，在图7中，示意性示出了设于像素块20的布线的一部分。
在图7示出的例子中，信号输出部31与4个开关部32的每一个连接，向4个开关部32的每一个供给电压。使用针对每个像素块20设置的一个信号输出部31进行限幅动作。因此，与在像素块20内设置多个信号输出部31的情况相比，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下降。另外，能够不增大芯片面积地进行限幅动作，能够抑制使用像素的信号而生成的图像的画质变差。
根据上述实施方式，可得到如下的作用效果。
(1)摄像元件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、被输出基于利用光电转换部11生成的电荷的信号的信号线22、和向信号线22供给电压的供给部30；以及与第1基板111层叠的第2基板112，其设有对输出至信号线22的信号进行处理的处理部50。在本实施方式中，具有光电转换部11的像素10和供给部30配置于同一第1基板111。因此，能够减少伴随供给部30的动作的电源电压的变动，防止像素的信号的品质变差。由此，能够抑制使用像素的信号而生成的图像的画质变差。
(2)在本实施方式中，具有多个处理部50的读出部60配置在第2基板112。因此，能够不增大芯片面积地配置用于处理像素的信号的多个电路。另外，能够抑制像素的开口率的下降。
如下这样的变形也属于本发明的范围内，还能够将变形例的一个或者多个组合到上述实施方式。
(变形例1)
图8是表示变形例1的摄像元件的一部分的布局的一例的图。如图8所示，也可以将像素块20构成为不具有开关部32的构成。信号输出部31不经由开关部32地与信号线22电连接，在进行暗信号的读出的情况下和在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，能够减少开关部32，能够减小芯片面积。另外，还能够增大光电转换部11的受光面积。
(变形例2)
图9是表示变形例2的摄像元件的一部分的布局的一例的图。如图9所示，也可以针对每个像素10设置信号输出部31。在图9示出的例子中，4个信号输出部31和4个开关部32针对每块像素块20来配置。
也可以构成为使用不同的布线向每个信号输出部31或者向每多个信号输出部31供给信号CLIP。在该情况下，能够减少连接于一个布线的信号输出部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，说明了针对每个像素块20设置了信号线22以及供给部30的例子。但也可以针对每个像素10配置信号线22，针对每条信号线22配置供给部30。在该情况下，也可以针对每个像素10配置像素控制部35，针对每个供给部30配置供给控制部36。各供给控制部36也可以以针对每条信号线22能够在不同的定时供给电压的方式对针对每条信号线22设置的供给部30进行控制。
(变形例4)
像素10以及供给部30由使用了MOS晶体管的模拟电路构成。模拟电路设于第1基板111，AD转换部40这种数字电路设于第2基板112。能够对第1基板111应用最适合模拟电路的工艺，对第2基板112应用最适合数字电路的工艺。而且，若使用NMOS晶体管(或者PMOS晶体管)来构成像素10以及供给部30，能够不需要阱隔离。另外，通过使用同一NMOS晶体管来构成像素10以及供给部30，能够缩短摄像元件的制造工序。
像素10以及供给部30可以使用NMOS晶体管来构成，也可以使用PMOS晶体管来构成。也可以使用NMOS晶体管以及PMOS晶体管双方来构成像素10以及供给部30。在增幅部15以及信号输出部31由NMOS晶体管来构成的情况下，在进行光电转换信号的读出时，如上所述，也可以将比在进行暗信号的读出时低的电压的信号CLIP供给至信号输出部31。在增幅部15以及信号输出部31由PMOS晶体管构成的情况下，在进行光电转换信号的读出时，可以将比在进行暗信号的读出时高的电压的信号CLIP供给至信号输出部31。供给部30以使信号线22的电压成为从电源电压(或者接地电压)到基于信号CLIP的电压为止的值的方式，向信号线22供给电压。信号线22的电压通过供给部30被限制为将基于信号CLIP的电压作为上限值或者下限值的范围内的值。
(变形例5)
在上述实施方式中，说明了摄像元件3通过层叠第1基板111和第2基板112来构成的例子。但也可以不层叠第1基板111和第2基板112。
(变形例6)
在上述实施方式中，说明了摄像元件3为背面照射型的构成的例子。但也可以将摄像元件3设为在光入射的入射面侧设置布线层101的表面照射型的构成。
(变形例7)
在上述实施方式以及变形例中，说明了作为光电转换部而使用光电二极管的例子。但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8)
在上述实施方式以及变形例中说明的摄像元件以及摄像装置可以应用于内置于相机、智能手机、平板电脑、PC的相机、车载相机、搭载于无人航空器(无人机、无线电控制机等)的相机等。
以上，说明了各种实施方式以及变形例，但本发明不限于这些内容。在本发明的技术思想的范围内能够考虑到的其他方面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献而援引至此。
日本特愿2019-180780号(2019年9月30日申请)
附图标记说明
1…摄像装置、3…摄像元件、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 (17)

1.一种摄像元件，其具备：
第1基板，其设有通过光电转换而生成电荷的光电转换部、被输出基于由所述光电转换部生成的电荷的信号的信号线、和以不使所述信号线的电压变为规定电压以下的方式向所述信号线供给电压的供给部；以及
层叠于所述第1基板的第2基板，其设有对输出至所述信号线的信号进行处理的处理部。
2.根据权利要求1所述的摄像元件，其中，
所述供给部在将基于由所述光电转换部生成的电荷的信号输出至所述信号线时、和输出用于除去基于由所述光电转换部生成的电荷的信号内的噪声的信号时，将不同的电压供给至所述信号线。
3.根据权利要求1或者2所述的摄像元件，其中，
所述供给部在将基于由所述光电转换部生成的电荷的信号输出至所述信号线时，与输出用于除去基于由所述光电转换部生成的电荷的信号内的噪声的信号时相比将更低的电压供给至所述信号线。
4.根据权利要求1所述的摄像元件，其中，具备：
蓄积部，其蓄积由所述光电转换部生成的电荷；以及
复位部，其将通过所述蓄积部蓄积的电荷复位，
向所述信号线输出基于在所述蓄积部蓄积的电荷的信号、和将在所述蓄积部蓄积的电荷复位之后的信号。
5.根据权利要求4所述的摄像元件，其中，
所述供给部在将基于在所述蓄积部蓄积的电荷的信号输出至所述信号线时、和将在所述蓄积部蓄积的电荷复位之后的信号输出至所述信号线时，将不同的电压供给至所述信号线。
6.根据权利要求4或者5所述的摄像元件，其中，
所述供给部在将基于在所述蓄积部蓄积的电荷的信号输出至所述信号线时，与将在所述蓄积部蓄积的电荷复位之后的信号输出至所述信号线时相比将更低的电压供给至所述信号线。
7.根据权利要求1～6中任一项所述的摄像元件，其中，
所述光电转换部在第1区域和与所述第1区域不同的第2区域中分别沿第1方向、以及与所述第1方向交叉的第2方向配置有多个。
8.根据权利要求7所述的摄像元件，其中，
所述信号线具有第1信号线和第2信号线，向所述第1信号线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的信号，向所述第2信号线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的信号，
所述处理部具备对输出至所述第1信号线的信号进行处理的第1处理部、以及对输出至所述第2信号线的信号进行处理的第2处理部。
9.根据权利要求7或者8所述的摄像元件，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，
所述供给部具备向设于所述第1区域的所述信号线供给电压的第1供给部、以及向设于所述第2区域的所述信号线供给电压的第2供给部。
10.根据权利要求9所述的摄像元件，其中，具备：
控制所述第1供给部的第1控制部；以及
控制所述第2供给部的第2控制部。
11.根据权利要求10所述的摄像元件，其中，
所述第1控制部与所述第2控制部分别以能够在不同的定时向设于所述第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。
12.根据权利要求1～6中任一项所述的摄像元件，其中，
所述信号线针对每个所述光电转换部来设置，
所述供给部针对每个所述信号线来设置。
13.根据权利要求12所述的摄像元件，其中，
具备控制部，该控制部针对每个所述供给部控制所述供给部。
14.根据权利要求13所述的摄像元件，其中，
所述控制部以能够在不同的定时针对每个所述信号线供给电压的方式控制所述供给部。
15.根据权利要求1～14中任一项所述的摄像元件，其中，
具有设于所述第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连接于所述电极。
16.根据权利要求1～15中任一项所述的摄像元件，其中，
所述处理部具有将输出至所述信号线的模拟信号转换为数字信号的AD转换部。
17.一种摄像装置，其具备：
权利要求1～16中任一项所述的摄像元件；以及
生成部，其基于由所述处理部处理的信号来生成图像数据。
CN202080067636.1A 2019-09-30 2020-09-30 摄像元件以及摄像装置 Pending CN114531948A (zh)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2019180780 2019-09-30
JP2019-180780 2019-09-30
PCT/JP2020/037288 WO2021066064A1 (ja) 2019-09-30 2020-09-30 撮像素子、及び、撮像装置

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN114531948A true CN114531948A (zh) 2022-05-24

Family

ID=75336949

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202080067636.1A Pending CN114531948A (zh) 2019-09-30 2020-09-30 摄像元件以及摄像装置

Country Status (4)

Country Link
US (1) US20220385844A1 (zh)
JP (2) JP7384211B2 (zh)
CN (1) CN114531948A (zh)
WO (1) WO2021066064A1 (zh)

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2011160046A (ja) * 2010-01-29 2011-08-18 Sony Corp 固体撮像装置、固体撮像装置の駆動方法
JP2012085343A (ja) * 2005-06-09 2012-04-26 Canon Inc 撮像装置及び撮像システム
WO2016158484A1 (ja) * 2015-04-03 2016-10-06 ソニー株式会社 固体撮像装置および電子機器
US20180084206A1 (en) * 2016-09-16 2018-03-22 Canon Kabushiki Kaisha Solid-state imaging device and method of driving solid-state imaging device
CN109196858A (zh) * 2016-03-29 2019-01-11 株式会社尼康 拍摄元件及拍摄装置

Family Cites Families (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2012049597A (ja) * 2010-08-24 2012-03-08 Nikon Corp 撮像装置
US8921855B2 (en) * 2011-03-09 2014-12-30 Canon Kabushiki Kaisha Test circuit for testing signal receiving unit, image pickup apparatus, method of testing signal receiving unit, and method of testing image pickup apparatus
JP6415187B2 (ja) * 2014-08-29 2018-10-31 キヤノン株式会社 固体撮像装置および撮像システム
JP6492991B2 (ja) * 2015-06-08 2019-04-03 株式会社リコー 固体撮像装置
JP6153676B1 (ja) * 2015-09-30 2017-06-28 オリンパス株式会社 撮像素子および内視鏡
JP2017117828A (ja) * 2015-12-21 2017-06-29 ソニー株式会社 固体撮像素子および電子装置
JP7227709B2 (ja) * 2017-08-02 2023-02-22 ソニーセミコンダクタソリューションズ株式会社 固体撮像素子、および、撮像装置
US11317083B2 (en) * 2019-02-01 2022-04-26 Semiconductor Components Industries, Llc Pixel control signal verification in a stacked image sensor
JP7345301B2 (ja) * 2019-07-18 2023-09-15 キヤノン株式会社 光電変換装置および機器

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2012085343A (ja) * 2005-06-09 2012-04-26 Canon Inc 撮像装置及び撮像システム
JP2011160046A (ja) * 2010-01-29 2011-08-18 Sony Corp 固体撮像装置、固体撮像装置の駆動方法
WO2016158484A1 (ja) * 2015-04-03 2016-10-06 ソニー株式会社 固体撮像装置および電子機器
CN109196858A (zh) * 2016-03-29 2019-01-11 株式会社尼康 拍摄元件及拍摄装置
US20180084206A1 (en) * 2016-09-16 2018-03-22 Canon Kabushiki Kaisha Solid-state imaging device and method of driving solid-state imaging device

Also Published As

Publication number Publication date
WO2021066064A1 (ja) 2021-04-08
US20220385844A1 (en) 2022-12-01
JP7384211B2 (ja) 2023-11-21
JPWO2021066064A1 (zh) 2021-04-08
JP2024012532A (ja) 2024-01-30

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US10708529B2 (en) Image sensors with low-voltage transistors
CN106464819B (zh) 信号处理器件、控制方法、图像传感器件和电子设备
US7554591B2 (en) Photoelectric conversion apparatus and image sensing system using the same
KR102146231B1 (ko) 고체 촬상 소자 및 촬상 장치
US11902684B2 (en) Imaging device
US9608025B2 (en) Imaging apparatus and imaging system
CN109196858B (zh) 拍摄元件及拍摄装置
US20070046797A1 (en) Solid-state image-sensing device
CN112640433A (zh) 摄像装置
JP4661212B2 (ja) 物理情報取得方法および物理情報取得装置並びに半導体装置
JP2023072018A (ja) 撮像素子、及び電子カメラ
US10257446B2 (en) Solid-state imaging device
JP2016111376A (ja) 撮像装置、撮像システム、及び撮像装置の駆動方法
JP7384211B2 (ja) 撮像素子、及び、撮像装置
JP7384212B2 (ja) 撮像素子、及び、撮像装置
JP6825675B2 (ja) 撮像素子及び撮像装置
JP6809526B2 (ja) 撮像素子および撮像装置
CN111726547A (zh) 摄像装置
US20230362513A1 (en) Imaging sensor and imaging device
US20220264042A1 (en) Pixel circuitry with voltage-domain sampling
CN109076180B (zh) 摄像元件及摄像装置
CN114788263A (zh) 摄像装置
KR20240032969A (ko) 촬상 소자 및 촬상 장치

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination