JP2001326857A - Image pickup element provided with arithmetic function - Google Patents

Image pickup element provided with arithmetic function

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JP2001326857A
JP2001326857A JP2000141797A JP2000141797A JP2001326857A JP 2001326857 A JP2001326857 A JP 2001326857A JP 2000141797 A JP2000141797 A JP 2000141797A JP 2000141797 A JP2000141797 A JP 2000141797A JP 2001326857 A JP2001326857 A JP 2001326857A
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an excellent image pickup element provided with an arithmetic function that can realize a sufficient number of pixels and a small pixel size. SOLUTION: The image pickup element has an optical area consisting of pixels with the same area as that of a conventional image acquisition image pickup element and is provided with an arithmetic processing circuit in common to pixels so as to avoid the sensitivity from being deteriorated by simultaneously utilizing signals of the pixels so as to supplement the lightness when the lightness of an object is dark or a time used to apply photoelectric conversion to the lightness of the object is short. As a result, the arithmetic operation on the basis of the lightness of the object can correctly be executed without receiving the effect of a noise.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、小型・軽量に構成
された撮像素子に係り、特に、CMOS(Complementar
y Metal-Oxide Semiconductor:相補性金属酸化膜半導
体)などの半導体製造技術を用いて実現される演算機能
付きの撮像素子に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a small and lightweight imaging device, and more particularly, to a CMOS (Complementarity).
The present invention relates to an imaging device with an arithmetic function realized by using a semiconductor manufacturing technology such as a metal-oxide semiconductor (complementary metal oxide semiconductor).

【0002】更に詳しくは、本発明は、充分な画素数と
小さな画素サイズとを実現した演算機能付きの撮像素子
に係り、特に、オンチップ・カラーフィルタによりカラ
ー画像の撮影が可能な撮像素子に関する。
More specifically, the present invention relates to an image pickup device having an arithmetic function which realizes a sufficient number of pixels and a small pixel size, and more particularly to an image pickup device capable of taking a color image by using an on-chip color filter. .

【0003】[0003]

【従来の技術】昨今の半導体製造技術の急速な進歩とも
相俟って、比較的安価な撮像素子が入手可能となってき
た。この結果、携帯電話やPDA(Personal Digital A
ssistant)などの携帯端末において、小型のカメラを付
属あるいは搭載した機器が開発され、市場に流通し始め
ている。ところが、これらの携帯端末は、小型軽量を特
徴とするので、搭載されるカメラも小型軽量でなければ
ならない。また、携帯型機器は、一般にバッテリ駆動式
であるため、機器本体自体も付属・搭載部品も、低消費
電力であることが求めらる。
2. Description of the Related Art Along with recent rapid advances in semiconductor manufacturing technology, relatively inexpensive imaging devices have become available. As a result, mobile phones and PDAs (Personal Digital A
For portable terminals such as ssistants, devices equipped with or equipped with a small camera have been developed and have begun to be distributed on the market. However, these portable terminals are characterized by small size and light weight, so that a camera to be mounted must be small and light. In addition, since a portable device is generally a battery-driven device, it is required that the device itself and its attached / mounted components have low power consumption.

【0004】一般的に、カメラと言えばCCD(Charge
Coupled Device:電荷結合素子)センサを用いたもの
を思い浮かべることができる。CCDとは、MOS(Me
talOxide Semiconductor)型電極をチェーンのように配
設して構成される集積回路のことであり、半導体表面の
電荷をある電極から次の電極へと順次転送する機能を利
用して、撮像した画像データを出力するようになってい
る。ところが、CCDセンサは電源電圧が複数必要、消
費電力が比較的大きいといった点から上記のような用途
には向いているとは言い難い。
[0004] Generally speaking, a camera is a CCD (Charge).
I can imagine one using a Coupled Device (charge coupled device) sensor. CCD means MOS (Me
talOxide Semiconductor) An integrated circuit consisting of electrodes arranged like a chain. Image data captured using the function of sequentially transferring the charge on the semiconductor surface from one electrode to the next Is output. However, it is hard to say that the CCD sensor is suitable for the above-mentioned applications because it requires a plurality of power supply voltages and consumes relatively large power.

【0005】他方、カメラあるいは撮像素子として、C
MOS(Complementary Metal-Oxide Semiconductor:
相補性金属酸化膜半導体)イメージ・センサは、次世代
のイメージセンサとして注目を浴びている。特に、セン
サ上に画像処理を行う演算機能を持たせた、いわゆる
「スマートセンサ」は、ゲーム用からセキュリティ用途
にまで幅広く利用されるものとして期待が持たれてい
る。
On the other hand, as a camera or an image pickup device, C
MOS (Complementary Metal-Oxide Semiconductor:
(Complementary metal oxide semiconductor) image sensors are attracting attention as next-generation image sensors. In particular, a so-called “smart sensor” having an arithmetic function for performing image processing on a sensor is expected to be widely used from games to security.

【0006】CMOS技術を用いて実装されるこのタイ
プのイメージ・センサであれば、小型・軽量化や、低消
費電力などの仕様を満足させることができる。また、イ
メージ・センサと同一のチップ上に、CMOS技術で実
現できる様々な回路部品を集積することができる。特
に、センサ上の各画素におけるフォト・ダイオード出力
をノイズ除去並びにゲイン補正を経た後、アナログ値か
らデジタル値に変換して、さらにはデジタル信号のまま
画像処理を行うといった機能を持たせたCMOSイメー
ジ・センサに関する報告もいくつかなされている。
An image sensor of this type implemented using CMOS technology can satisfy specifications such as miniaturization and weight reduction and low power consumption. Further, various circuit components that can be realized by CMOS technology can be integrated on the same chip as the image sensor. In particular, a CMOS image having a function of converting a photodiode output from each pixel on a sensor after noise removal and gain correction, converting an analog value to a digital value, and further performing image processing as a digital signal.・ Some reports on sensors have been made.

【0007】CMOSイメージ・センサに関する特集記
事としては、例えば、「ディジタル画像処理機能を持っ
たCMOSイメージセンサ」(映像情報メディア学会誌
Vol.53,No.2,pp.172〜177,1999)が挙げられる。
[0007] Special articles on CMOS image sensors include, for example, "CMOS Image Sensor with Digital Image Processing Function" (Journal of the Institute of Image Information and Television Engineers).
Vol.53, No.2, pp.172-177, 1999).

【0008】また、具体的な撮像素子の例としては、"A
n Artificial Retina Chip with Current-Mode Focal P
lane Image Processing Functions"(Eiichi Funatsu,
et al,IEEE Trans. Electron Devices, Vol.44, No.1
0, Oct. 1997) や、藤本他著「動体検出機能搭載CM
OSイメージャの開発」(IPU99-62,1999)、石渡他著
「3次元ジェスチャ認識用CMOSイメージセンサ」
(映像情報メディア学会技術報告,Vol.23,No.30,199
9)などが挙げられる。
Further, as a specific example of an image pickup device, "A
n Artificial Retina Chip with Current-Mode Focal P
lane Image Processing Functions "(Eiichi Funatsu,
et al, IEEE Trans. Electron Devices, Vol.44, No.1
0, Oct. 1997) and Fujimoto et al., CM with Motion Detection Function
"Development of OS Imager" (IPU99-62, 1999), Ishiwatari et al., "CMOS Image Sensor for 3D Gesture Recognition"
(Technical Report of the Institute of Image Information and Television Engineers, Vol.23, No.30, 199
9).

【0009】これらのスマートセンサは、画素毎(画素
並列型)、あるいは画素が並んだ列毎(列並列型)に記
憶部や演算部を持ち、被写体の明るさを受光しながら何
らかの演算を行い、高速に所望の処理を完了するという
共通の特徴を持っている。
These smart sensors have a storage unit and a calculation unit for each pixel (pixel-parallel type) or for each column in which the pixels are arranged (column-parallel type), and perform some calculation while receiving the brightness of the subject. Has the common feature that desired processing is completed at high speed.

【0010】しかしながら、本出願に先行する技術の多
くは、スマートセンサに演算処理機能を持たせるため
に、画素内に複雑な回路を実現して結果として画素数の
低下を招いてしまうという弊害があった。
However, in many of the prior arts of the present application, in order to provide the smart sensor with an arithmetic processing function, there is a problem that a complicated circuit is realized in a pixel and the number of pixels is reduced as a result. there were.

【0011】一方、演算機能を列毎に配置した列並列型
撮像素子の多くは、画素数は通常のイメージセンサと同
等ではあっても、機能を限定しており(例えばADコン
バータ動作のみ等)、必ずしも充分な演算が行えないと
いう欠点があった。
On the other hand, many of the column-parallel imaging devices in which the arithmetic functions are arranged for each column have limited functions (for example, only an AD converter operation, etc.) even though the number of pixels is equivalent to that of a normal image sensor. However, there is a disadvantage that a sufficient calculation cannot always be performed.

【0012】さらに、撮像素子のカラー化という点で
は、後者の列並列型撮像素子の場合は、画素サイズも小
さく、オンチップ・カラーフィルタ(OCCF)により
実現できるが、あくまでも機能が限られている。また、
前者の画素並列型の撮像素子では、そもそも画素数が少
なく、カラー化によるさらなる解像度の低下が懸念され
るために、カラー化はほとんど検討されていないのが実
情である。
Further, in terms of colorization of the image pickup device, the latter column-parallel type image pickup device has a small pixel size and can be realized by an on-chip color filter (OCCF), but the functions are limited to the last. . Also,
In the former pixel-parallel imaging device, the number of pixels is small in the first place, and further reduction in resolution due to colorization is a concern.

【0013】[0013]

【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、CM
OS(Complementary Metal-Oxide Semiconductor:相
補性金属酸化膜半導体)などの半導体製造技術を用いて
小型・軽量に構成された、演算機能付きの優れた撮像素
子を提供することにある。
An object of the present invention is to provide a CM
An object of the present invention is to provide an excellent imaging device having an arithmetic function, which is formed small and lightweight by using a semiconductor manufacturing technology such as an OS (Complementary Metal-Oxide Semiconductor).

【0014】本発明の更なる目的は、充分な画素数と小
さな画素サイズとを実現した、演算機能付きの優れた撮
像素子を提供することにある。
A further object of the present invention is to provide an excellent image pickup device having an arithmetic function, which realizes a sufficient number of pixels and a small pixel size.

【0015】本発明の更なる目的は、オンチップカラー
フィルタによりカラー画像の撮影が可能な演算機能付き
の優れた撮像素子を提供することにある。
A further object of the present invention is to provide an excellent image pickup device having an arithmetic function capable of taking a color image by using an on-chip color filter.

【0016】[0016]

【課題を解決するための手段】本発明は、上記課題を参
酌してなされたものであり、その第1の側面は、それぞ
れ被写体の明るさを電気信号に変える受光部と該受光部
出力を増幅する画素内増幅部と該画素内増幅部から画素
外へ信号を読み出す読出し部とからなる複数の画素と、
各画素から読み出された信号を増幅する画素外増幅部
と、各画素から読み出された信号を記憶する複数の記憶
部と、1以上の記憶部から読み出された信号を演算する
演算部と、前記演算部による演算結果を画素毎に記憶す
るデジタル・メモリと、デジタル・メモリ出力を外部に
出力する出力部と、前記各部の駆動を制御する駆動制御
部とを具備し、前記駆動制御部は、前記演算部における
演算内容に応じて、信号を読み出す画素の数並びに読み
出した信号を記憶する記憶部の数を可変とする駆動制御
モードを有することを特徴とする演算機能付き撮像素子
である。
SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made in consideration of the above problems, and a first aspect of the present invention relates to a light receiving unit for converting the brightness of a subject into an electric signal and an output of the light receiving unit. A plurality of pixels comprising an in-pixel amplifying unit to be amplified and a reading unit for reading a signal from the in-pixel amplifying unit to outside the pixel,
An extra-pixel amplifying unit that amplifies a signal read from each pixel, a plurality of storage units that store signals read from each pixel, and a calculation unit that calculates signals read from one or more storage units A digital memory that stores the operation result of the operation unit for each pixel, an output unit that outputs a digital memory output to the outside, and a drive control unit that controls driving of each unit. The image pickup device with an arithmetic function, characterized in that the unit has a drive control mode in which the number of pixels from which a signal is read out and the number of storage units that store the read out signal are made variable in accordance with the content of operation in the arithmetic unit is there.

【0017】本発明の第1の側面に係る演算機能付き撮
像素子において、前記演算部及び/又は前記画素外増幅
部は、複数の画素間で共有してもよい。
[0017] In the imaging device with an arithmetic function according to the first aspect of the present invention, the arithmetic unit and / or the extra-pixel amplifying unit may be shared by a plurality of pixels.

【0018】また、前記駆動制御部は、前記演算部に供
給する駆動パルスの組み合わせ及びそのタイミングによ
って、前記演算部における演算内容を決定するようにし
てもよい。
Further, the drive control section may determine the content of the calculation in the calculation section based on a combination of drive pulses supplied to the calculation section and the timing thereof.

【0019】また、前記駆動制御部は、同じタイミング
で検出した2個以上の画素読み出し信号を1つの記憶部
に記憶させる駆動制御モードを有してもよい。
The drive control section may have a drive control mode in which two or more pixel readout signals detected at the same timing are stored in one storage section.

【0020】また、前記駆動制御部は、各タイミングで
検出した各画素の読み出し信号をそれぞれ別の記憶部に
記憶させるとともに、各記憶部から読み出された信号に
基づいて同じ画素におる画素読み出し信号の時間軸に沿
った比較処理を前記演算部に行わせる第1の駆動制御モ
ードを有してもよい。この結果、演算機能付き撮像素子
は、被写体の明るさの変化を演算して外部出力すること
ができる。
The drive control section stores the readout signal of each pixel detected at each timing in a separate storage section, and reads out a pixel in the same pixel based on the signal read out from each storage section. A first drive control mode for causing the arithmetic unit to perform a comparison process along a time axis of a signal may be provided. As a result, the imaging device with the calculation function can calculate the change in the brightness of the subject and output the change to the outside.

【0021】また、前記駆動制御部は、さらに、各タイ
ミングで検出した2個以上の画素読み出し信号をそれぞ
れ同じ記憶部に記憶させるとともに、各記憶部から読み
出された信号に基づいて該2個以上の画素における画素
読み出し信号の時間軸に沿った比較処理を前記演算部に
行わせる第2の駆動制御モードを有してもよい。
Further, the drive control section further stores the two or more pixel read signals detected at each timing in the same storage section, and based on the signals read from each storage section, A second drive control mode may be provided in which the arithmetic unit performs the comparison process of the pixel readout signals of the pixels along the time axis.

【0022】第2の駆動制御モード下では、被写体の明
るさが低過ぎたり、あるいは、被写体の明るさを光電変
換するサンプリング間隔が短過ぎて、単一の画素では出
力が小さくノイズの影響を受け易いような場合であって
も、隣接する複数の画素の信号を1つにまとめて処理す
ることによって、低出力を補い、感度の低下を回避する
ことができる。この結果、演算機能付き撮像素子は、ノ
イズの影響を受けずに演算を正しく実行することが可能
となる。他方、充分な被写体の明るさが得られる場合に
は、上記の第1の駆動制御モードによって、一つ一つの
画素で独立して演算処理するように動作せしめて、撮像
素子の解像度の低下を回避することができる。
In the second drive control mode, the brightness of the subject is too low, or the sampling interval for photoelectrically converting the brightness of the subject is too short, and the output of a single pixel is small and the influence of noise is reduced. Even in a case where the signal is easily received, by combining and processing the signals of a plurality of adjacent pixels into one, it is possible to compensate for a low output and avoid a decrease in sensitivity. As a result, the imaging device with an arithmetic function can correctly execute an arithmetic operation without being affected by noise. On the other hand, when sufficient brightness of the subject can be obtained, the above-described first drive control mode is used to operate each pixel independently so as to perform arithmetic processing, thereby reducing the resolution of the image sensor. Can be avoided.

【0023】また、前記駆動制御部は、ある画素の基準
信号レベルに相当する画素読み出し信号を1つの記憶部
に記憶させるとともに、該画素の被写体の明るさに相当
する画素読み出し信号を他の記憶部に記憶させ、各記憶
部から読み出された画素読み出し信号に基づいて基準信
号レベルと被写体の明るさを前記演算部において比較処
理せしめる駆動制御モードを有してもよい。このような
動作モード下では、演算機能つき撮像素子は、アナログ
量である被写体の明るさをデジタル量に変換した撮像画
像を外部出力することができる。
The drive control section stores a pixel readout signal corresponding to a reference signal level of a certain pixel in one storage section, and stores a pixel readout signal corresponding to the brightness of a subject of the pixel in another storage section. And a driving control mode in which the arithmetic unit compares the reference signal level with the brightness of the subject based on the pixel read signal read from each storage unit. In such an operation mode, the imaging device with the arithmetic function can externally output a captured image obtained by converting the brightness of a subject, which is an analog amount, into a digital amount.

【0024】また、演算機能付き撮像素子の各画素に対
して、例えば、M(マゼンダ)、C(シアン)、G(グ
リーン)、Y(イエロー)などの各色のオンチップ・カ
ラーフィルタを交互に配置してもよい。このような場
合、前記駆動制御部は、ある画素の基準信号レベルに相
当する画素読み出し信号を1つの記憶部に記憶させると
ともに、該画素の被写体の明るさに相当する画素読み出
し信号を他の記憶部に記憶させ、各記憶部から読み出さ
れた画素読み出し信号に基づいて基準信号レベルと被写
体の明るさを前記演算部において比較処理せしめること
によって、演算機能付き撮像素子は、MCGY系の色空
間からなるカラー撮像画像を外部出力することができ
る。
Further, for each pixel of the image pickup device having an arithmetic function, for example, on-chip color filters of each color such as M (magenta), C (cyan), G (green), and Y (yellow) are alternately provided. It may be arranged. In such a case, the drive control unit stores the pixel readout signal corresponding to the reference signal level of a certain pixel in one storage unit and stores the pixel readout signal corresponding to the brightness of the subject of the pixel in another storage unit. Unit, and the reference signal level and the brightness of the subject are compared in the calculation unit based on the pixel read signal read from each storage unit. Can be externally output.

【0025】また、演算機能付き撮像素子の各画素に対
して、オンチップ・レンズを配置してもよい。このよう
な場合、各画素における光の集光度を高めることができ
るので、演算機能付き撮像素子がいずれの駆動制御モー
ドで動作する場合であっても、その感度を向上させるこ
とができる。
Further, an on-chip lens may be arranged for each pixel of the image pickup device having the arithmetic function. In such a case, the degree of condensing light in each pixel can be increased, so that the sensitivity of the imaging device with an arithmetic function can be improved regardless of which drive control mode is operated.

【0026】また、本発明の第2の側面は、それぞれ被
写体の明るさを電気信号に変える受光部と該受光部出力
を増幅する画素内増幅部と該画素内増幅部から画素外へ
信号を読み出す読出し部とからなる複数の画素が配列さ
れた画素エリアと、各画素毎に2以上の記憶部が配置さ
れたアナログ記憶エリアと、各画素から読み出された信
号を増幅する画素外増幅部並びに1以上の記憶部から読
み出された信号を演算する演算部が配置された演算エリ
アと、前記演算部による演算結果を画素毎に記憶する複
数のデジタル・メモリが配設されたデジタル記憶エリア
と、デジタル・メモリ出力を外部に出力する複数の出力
部が配設された出力エリアと、を具備することを特徴と
する演算機能付き撮像素子である。
According to a second aspect of the present invention, there is provided a light receiving unit for converting the brightness of an object into an electric signal, an in-pixel amplifying unit for amplifying the output of the light receiving unit, and a signal from the in-pixel amplifying unit to outside the pixel. A pixel area in which a plurality of pixels including a read-out unit to be read are arranged, an analog storage area in which two or more storage units are arranged for each pixel, and an extra-pixel amplifying unit that amplifies a signal read from each pixel A calculation area in which a calculation unit for calculating a signal read from one or more storage units is arranged; and a digital storage area in which a plurality of digital memories for storing calculation results by the calculation unit for each pixel are arranged. And an output area in which a plurality of output units for outputting digital memory outputs to the outside are provided.

【0027】例えば、CMOS(Complementary Metal-
Oxide Semiconductor:相補性金属酸化膜半導体)など
の半導体製造技術を用いることで、上記の各エリアを単
一の回路チップ上に実装することができる。
For example, CMOS (Complementary Metal-
By using a semiconductor manufacturing technique such as Oxide Semiconductor (complementary metal oxide semiconductor), each of the above areas can be mounted on a single circuit chip.

【0028】本発明の第2の側面に係る演算機能付き撮
像素子において、画素エリアでは、所定数の隣接画素が
基本動作単位として駆動するようにしてもよい。
In the image pickup device with an arithmetic function according to the second aspect of the present invention, a predetermined number of adjacent pixels may be driven as a basic operation unit in the pixel area.

【0029】また、前記演算部及び/又は前記画素外増
幅部は複数の画素間で共有するようにしてもよい。
The arithmetic unit and / or the extra-pixel amplifying unit may be shared by a plurality of pixels.

【0030】また、前記演算部に供給する駆動パルスの
組み合わせ及びそのタイミングによって前記演算部にお
ける演算内容を決定する駆動制御部をさらに備えてもよ
い。この駆動制御部は、例えば、同じタイミングで検出
した2個以上の画素読み出し信号を1つの記憶部に記憶
させる駆動制御モードを有することができる。
[0030] The image processing apparatus may further include a drive control unit that determines the content of the calculation in the calculation unit based on the combination and timing of the drive pulses supplied to the calculation unit. This drive control unit can have, for example, a drive control mode in which two or more pixel readout signals detected at the same timing are stored in one storage unit.

【0031】また、前記駆動制御部は、各タイミングで
検出した各画素の読み出し信号をそれぞれ別の記憶部に
記憶させるとともに、各記憶部から読み出された信号に
基づいて同じ画素におる画素読み出し信号の時間軸に沿
った比較処理を前記演算部に行わせる第1の駆動制御モ
ードを有してもよい。このような動作モード下では、演
算機能付き撮像素子は、被写体の明るさの変化を演算し
て外部出力することができる。
The drive control section stores the readout signal of each pixel detected at each timing in a separate storage section, and reads out a pixel in the same pixel based on the signal read out from each storage section. A first drive control mode for causing the arithmetic unit to perform a comparison process along a time axis of a signal may be provided. In such an operation mode, the imaging device with an arithmetic function can calculate a change in the brightness of the subject and output it to the outside.

【0032】また、前記駆動制御部は、各タイミングで
検出した2個以上の画素読み出し信号をそれぞれ同じ記
憶部に記憶させるとともに、各記憶部から読み出された
信号に基づいて該2個以上の画素における画素読み出し
信号の時間軸に沿った比較処理を前記演算部に行わせる
第2の駆動制御モードを有してもよい。この動作モード
下では、被写体の明るさが低すぎたり、あるいは、被写
体の明るさを光電変換する時間間隔が短く、単一の画素
では出力が小さくノイズの影響を受け易いような場合で
あっても、隣接する複数の画素の信号を1つにまとめて
処理することによって、低出力を補い、感度の低下を回
避することができる。この結果、演算機能付き撮像素子
は、ノイズの影響を受けずに演算を正しく実行すること
が可能となる。
The drive control section stores the two or more pixel read signals detected at each timing in the same storage section, respectively, and based on the signals read from each storage section, A second drive control mode may be provided in which the arithmetic unit performs a comparison process along a time axis of a pixel readout signal of a pixel. Under this operation mode, there are cases where the brightness of the subject is too low, or the time interval for photoelectrically converting the brightness of the subject is short, and a single pixel has a small output and is easily affected by noise. Also, by processing the signals of a plurality of adjacent pixels as one, it is possible to compensate for a low output and avoid a decrease in sensitivity. As a result, the imaging device with an arithmetic function can correctly execute an arithmetic operation without being affected by noise.

【0033】また、前記駆動制御部は、ある画素の基準
信号レベルに相当する画素読み出し信号を1つの記憶部
に記憶させるとともに、該画素の被写体の明るさに相当
する画素読み出し信号を他の記憶部に記憶させ、各記憶
部から読み出された画素読み出し信号に基づいて基準信
号レベルと被写体の明るさを前記演算部において比較処
理せしめる駆動制御モードを有してもよい。この動作モ
ード下では、演算機能つき撮像素子は、アナログ量であ
る被写体の明るさをデジタル量に変換した撮像画像を外
部出力することができる。
The drive control section stores a pixel readout signal corresponding to a reference signal level of a certain pixel in one storage section, and stores a pixel readout signal corresponding to the brightness of a subject of the pixel in another storage section. And a driving control mode in which the arithmetic unit compares the reference signal level with the brightness of the subject based on the pixel read signal read from each storage unit. In this operation mode, the imaging device with the arithmetic function can externally output a captured image obtained by converting the brightness of a subject, which is an analog amount, into a digital amount.

【0034】また、本発明の第2の側面に係る演算機能
付き撮像素子の各画素に対して、例えば、M、C、G、
Yなどの各色のオンチップ・カラーフィルタを交互に配
置してもよい。このような場合、前記駆動制御部は、あ
る画素の基準信号レベルに相当する画素読み出し信号を
1つの記憶部に記憶させるとともに、該画素の被写体の
明るさに相当する画素読み出し信号を他の記憶部に記憶
させ、各記憶部から読み出された画素読み出し信号に基
づいて基準信号レベルと被写体の明るさを前記演算部に
おいて比較処理せしめることによって、演算機能付き撮
像素子は、MCGY系の色空間からなるカラー撮像画像
を外部出力することができる。また、M、C、G、Yの
各カラーフィルタが搭載された一組の隣接画素を画素エ
リアにおける基本動作単位として扱ってもよい。
Further, for each pixel of the image pickup device having an arithmetic function according to the second aspect of the present invention, for example, M, C, G,
On-chip color filters of each color such as Y may be arranged alternately. In such a case, the drive control unit stores the pixel readout signal corresponding to the reference signal level of a certain pixel in one storage unit and stores the pixel readout signal corresponding to the brightness of the subject of the pixel in another storage unit. Unit, and the reference signal level and the brightness of the subject are compared in the calculation unit based on the pixel read signal read from each storage unit. Can be externally output. Also, a set of adjacent pixels on which the M, C, G, and Y color filters are mounted may be treated as a basic operation unit in the pixel area.

【0035】また、演算機能付き撮像素子の各画素に対
して、オンチップ・レンズを配置してもよい。このよう
な場合、各画素における光の集光度を高めることができ
るので、演算機能付き撮像素子がいずれの駆動制御モー
ドで動作する場合であっても、その感度を向上させるこ
とができる。
Further, an on-chip lens may be arranged for each pixel of the image pickup device having an arithmetic function. In such a case, the degree of condensing light in each pixel can be increased, so that the sensitivity of the imaging device with an arithmetic function can be improved regardless of which drive control mode is operated.

【0036】[0036]

【作用】本発明に係る撮像素子は、通常の画像取得用撮
像素子と同等面積の画素からなる光学エリアを有してい
るが、さらに複数の画素に共通の演算処理回路を持たせ
ることによって、被写体の明るさが暗い場合、若しくは
被写体の明るさを光電変換する時間が短い場合は、複数
の画素の信号を同時に利用することによって明るさを補
うことで感度の低下を避けることができる。この結果、
ノイズの影響を受けずに被写体の明るさに基づく演算を
正しく実行することが可能となる。
The image pickup device according to the present invention has an optical area composed of pixels having the same area as that of a normal image pickup image pickup device. However, by providing a plurality of pixels with a common arithmetic processing circuit, In the case where the brightness of the subject is low or the time for photoelectrically converting the brightness of the subject is short, a reduction in sensitivity can be avoided by simultaneously using the signals of a plurality of pixels to compensate for the brightness. As a result,
The calculation based on the brightness of the subject can be correctly executed without being affected by noise.

【0037】他方、被写体から充分な明るさが得られる
場合には、一つ一つの画素を独立して演算に用いること
によって、解像度の低下を避けることが可能となる。
On the other hand, when sufficient brightness is obtained from the subject, it is possible to avoid a decrease in resolution by using each pixel independently for calculation.

【0038】本発明に係る撮像素子は、画素数が充分に
多いので、オンチップ・カラーフィルタを採用すること
によって、容易にカラー化が可能である。また、本実施
例に係る撮像素子は、画素サイズが小さいので、オンチ
ップ・レンズによって光の集光度を高めることができ、
感度アップが可能である。
Since the image pickup device according to the present invention has a sufficiently large number of pixels, colorization can be easily achieved by employing an on-chip color filter. In addition, since the image sensor according to the present embodiment has a small pixel size, it is possible to increase the light condensing degree by using an on-chip lens,
Sensitivity can be increased.

【0039】また、本発明に係る撮像素子では、演算部
における演算内容を、外部から与える駆動パルスの組み
合わせ及びそのタイミングに応じて自由に変更すること
ができる。したがって、単一の演算機能のみを持つ撮像
素子には不可能であったさまざまな機能を単一の撮像素
子上で実現することが可能となる。
Further, in the image pickup device according to the present invention, the operation content in the operation section can be freely changed according to a combination of drive pulses supplied from the outside and the timing thereof. Therefore, various functions that cannot be performed by an imaging device having only a single arithmetic function can be realized on a single imaging device.

【0040】本発明のさらに他の目的、特徴や利点は、
後述する本発明の実施例や添付する図面に基づくより詳
細な説明によって明らかになるであろう。
Still other objects, features and advantages of the present invention are:
It will become apparent from the following more detailed description based on the embodiments of the present invention and the accompanying drawings.

【0041】[0041]

【発明の実施の形態】以下、図面を参照しながら本発明
の実施例を詳解する。
Embodiments of the present invention will be described below in detail with reference to the drawings.

【0042】図1には、本発明の実施例に係る撮像素子
の構成を模式的に示している。同図に示すように、撮像
素子は、画素エリアと、アナログ記憶エリアと、演算エ
リアと、デジタル記憶エリアと、出力エリアとで構成さ
れる。例えば、CMOS(Complementary Metal-Oxide
Semiconductor:相補性金属酸化膜半導体)などの半導
体製造技術を用いることで、これらの機能モジュールを
単一の回路チップ上に実装することができる。以下、撮
像素子内の各部について説明する。
FIG. 1 schematically shows the structure of an image sensor according to an embodiment of the present invention. As shown in the figure, the image sensor includes a pixel area, an analog storage area, a calculation area, a digital storage area, and an output area. For example, CMOS (Complementary Metal-Oxide
These functional modules can be mounted on a single circuit chip by using a semiconductor manufacturing technology such as a semiconductor (complementary metal oxide semiconductor). Hereinafter, each unit in the image sensor will be described.

【0043】画素エリア10内には、横方向にM個、縦
方向にN個の画素11が2次元的に配列されている。図
示の通り、横方向に隣り合う2列の画素の出力信号は1
本の垂直信号線101を共有し、各垂直信号線101の
終端には画素外増幅部31が接続されている。
In the pixel area 10, M pixels 11 in a horizontal direction and N pixels 11 in a vertical direction are two-dimensionally arranged. As shown in the figure, the output signals of two columns of pixels adjacent in the horizontal direction are 1
The vertical signal lines 101 are shared, and an extra-pixel amplifier 31 is connected to the end of each vertical signal line 101.

【0044】アナログ記憶エリア20内には、横方向に
M/2個、縦方向にN/2個の記憶部21が2次元的に
配列されている。図示の通り、縦に並んだN/2個の記
憶部21は、1本の垂直増幅信号線102を共有し,各
垂直増幅信号線102の終端には対応する前述の画素外
増幅部31が接続されている。また、垂直増幅信号線1
02は、演算エリア30内の演算部32にも接続されて
いる。但し、1つの記憶部21には,複数のアナログ・
メモリが内蔵されているものとする。
In the analog storage area 20, M / 2 storage units 21 in the horizontal direction and N / 2 storage units 21 in the vertical direction are two-dimensionally arranged. As shown in the figure, N / 2 storage units 21 arranged vertically share one vertical amplified signal line 102, and the corresponding extra-pixel amplifying unit 31 described above is provided at the end of each vertical amplified signal line 102. It is connected. Also, the vertical amplification signal line 1
02 is also connected to the calculation unit 32 in the calculation area 30. However, one storage unit 21 stores a plurality of analog
It is assumed that a memory is built-in.

【0045】演算エリア30内には、画素外増幅部31
と演算部32がそれぞれM/2個ずつ配置されている。
各画素外増幅部31の入力には、画素エリア10からの
対応する垂直信号線101がそれぞれ接続されている。
また、各画素外増幅部31の出力は、垂直増幅信号線1
02を介して、対応する演算部32とアナログ記憶エリ
ア20内の記憶部21に接続されている。一方、演算部
32の出力は、演算出力信号103として、デジタル記
憶エリア40内の複数のデジタル・メモリ41によって
共有されている。
In the operation area 30, an extra-pixel amplifying unit 31 is provided.
And M / 2 arithmetic units 32 are arranged.
A corresponding vertical signal line 101 from the pixel area 10 is connected to an input of each extra-pixel amplifying unit 31.
Further, the output of each extra-pixel amplifying unit 31 is connected to the vertical amplification signal line 1
02, the corresponding arithmetic unit 32 and the storage unit 21 in the analog storage area 20 are connected. On the other hand, the output of the arithmetic unit 32 is shared as the arithmetic output signal 103 by the plurality of digital memories 41 in the digital storage area 40.

【0046】デジタル記憶エリア40内には、M×N個
のデジタル・メモリ41が、画素11に対応して2次元
的に配列されている。各演算部32が出力する演算出力
信号103は、対応するデジタル・メモリ41のライト
・イネーブル信号として作用している。デジタル・メモ
リ41の入力には,撮像素子内部あるいは外部から供給
されるデジタル信号(後述)が接続されており、前述の
ライト・イネーブル信号に従って書き込まれるようにな
っている。また、縦方向に1列に並んだN個からなるデ
ジタル・メモリ41の出力は、そのビット数に応じた幅
のデジタル信号線であるメモリ・バス104を共有して
いる。各メモリ・バス104は、出力エリア50内の対
応する出力部51に接続されている。
In the digital storage area 40, M × N digital memories 41 are two-dimensionally arranged corresponding to the pixels 11. The operation output signal 103 output from each operation unit 32 acts as a write enable signal for the corresponding digital memory 41. A digital signal (to be described later) supplied from the inside or outside of the image sensor is connected to an input of the digital memory 41, and is written according to the above-described write enable signal. The outputs of the N digital memories 41 arranged in one column in the vertical direction share the memory bus 104 which is a digital signal line having a width corresponding to the number of bits. Each memory bus 104 is connected to a corresponding output unit 51 in the output area 50.

【0047】出力エリア50内では、出力部51がM個
並設されている。各出力部51の入力にはデジタル記憶
エリア40内の対応するデジタル・メモリ41の出力で
あるメモリ・バス104が接続されている。また、各出
力部51の出力は、デジタル列出力105となってい
る。このデジタル列出力105のデータ幅は、必ずしも
メモリ・バス104のデータ幅と同じである必要はな
く、出力部51での処理内容に応じたビット幅にするこ
とができる。
In the output area 50, M output units 51 are arranged side by side. A memory bus 104 which is an output of the corresponding digital memory 41 in the digital storage area 40 is connected to an input of each output unit 51. The output of each output unit 51 is a digital string output 105. The data width of the digital column output 105 does not necessarily need to be the same as the data width of the memory bus 104, and can be a bit width according to the processing content of the output unit 51.

【0048】図1に示した撮像素子では、M×N個の画
素11が画素エリア10内にまとめて配置してあり、し
かも画素11内部には特別な演算回路を保有しない構成
となっている。このような回路構造を採用することによ
って、画素サイズを通常のイメージ・センサすなわちC
CD等と同程度にすることができる。その結果、同程度
の数の画素(解像度)を持ち、なおかつ演算機能を搭載し
た撮像素子を実現することができる。
In the image pickup device shown in FIG. 1, M × N pixels 11 are collectively arranged in the pixel area 10, and the pixel 11 has no special arithmetic circuit inside. . By adopting such a circuit structure, the pixel size can be reduced by a normal image sensor,
It can be made the same as a CD or the like. As a result, it is possible to realize an image sensor having the same number of pixels (resolution) and also having an arithmetic function.

【0049】図2には、図1に示した撮像素子構造か
ら、基本動作単位を抜粋して図解している。ここで言う
基本動作単位は、4個の画素と、1本の垂直信号線と、
1個の画素外増幅部と、1個の記憶部と、1本の垂直増
幅信号線と、1個の演算部と、4個のデジタル・メモリ
と、2個の出力部とで構成される。
FIG. 2 illustrates a basic operation unit extracted from the image pickup device structure shown in FIG. The basic operation unit referred to here is four pixels, one vertical signal line,
It comprises one extra-pixel amplifying unit, one storage unit, one vertical amplified signal line, one arithmetic unit, four digital memories, and two output units. .

【0050】また、図3には、単位画素の構成例を、図
4には、単位画素に対応するアナログ記憶部の構成例
を、それぞれ示している。
FIG. 3 shows a configuration example of a unit pixel, and FIG. 4 shows a configuration example of an analog storage unit corresponding to the unit pixel.

【0051】図2〜図4に示す例において、基本動作単
位における画素数を4個とした場合の1つの用途は、単
板式カラー撮像素子のカラーフィルタを採用することを
想定しているからである。すなわち、例えば補色フィル
タを用いる場合、4個の画素は、それぞれマゼンダ
(M),グリーン(G),シアン(C),イエロー
(Y)のカラー・フィルタに対応している。あるいは、
原色フィルタを用いる場合には、4個の画素は、それぞ
れレッド(R),グリーン(G1),ブルー(B),再
びグリーン(G2)のカラーフィルタに対応させてもよ
い。
In the examples shown in FIGS. 2 to 4, one application when the number of pixels in the basic operation unit is four is because it is assumed that a color filter of a single-chip color image sensor is used. is there. That is, for example, when a complementary color filter is used, the four pixels correspond to magenta (M), green (G), cyan (C), and yellow (Y) color filters, respectively. Or,
When the primary color filters are used, the four pixels may correspond to red (R), green (G1), blue (B), and green (G2) color filters, respectively.

【0052】また、基本動作単位となる画素数を4個
(又は複数個)とした場合の他の用途として、このよう
に複数の画素をまとめて処理できる構造にしておくこと
で、例えば、そもそも被写体の明るさが低かったり、光
の蓄積時間が短くて1個の画素から得られる信号が弱い
場合であっても、複数の画素信号を同時に利用すること
によって、信号レベルの低下を避けることが可能とな
る。
Further, as another application when the number of pixels as a basic operation unit is four (or a plurality), a structure in which a plurality of pixels can be collectively processed as described above is used, for example, in the first place. Even if the brightness of the subject is low or the light accumulation time is short and the signal obtained from one pixel is weak, the signal level can be prevented from lowering by simultaneously using multiple pixel signals. It becomes possible.

【0053】以下、図3及び図4を適宜参照しながら、
図2に示す基本動作単位の構造及び動作特性について詳
解する。
Hereinafter, referring to FIGS. 3 and 4 as needed,
The structure and operation characteristics of the basic operation unit shown in FIG. 2 will be described in detail.

【0054】各色のカラーフィルタに割り当てられた4
個の画素11は、共通の垂直信号線101に接続されて
いる。図3に示すように、各画素においては、被写体の
明るさに応じた入射光が蓄積時間中に受光部12で光電
変換された後、画素内増幅部13及び読出し部14を通
って、この垂直信号線101に順次出力されるようにな
っている。
4 assigned to each color filter
The pixels 11 are connected to a common vertical signal line 101. As shown in FIG. 3, in each pixel, after the incident light corresponding to the brightness of the subject is photoelectrically converted by the light receiving unit 12 during the accumulation time, the light passes through the in-pixel amplifying unit 13 and the reading unit 14 and The signals are sequentially output to the vertical signal line 101.

【0055】各画素11の動作は、画素内増幅部13に
供給されているリセット・パルス112(φRST)、
受光部12に供給されている転送パルス113(φPT
X)、読出し部14に供給されている画素信号読出しパ
ルス114〜117(φRD_G,φRD_M,φRD_
C,φRD_Y。但し、φRD_G以外は図3には図示さ
れていない)によって制御される。さらに、画素内増幅
部13には、そのリセット・レベルを設定するリセット
電圧111(VRST)が供給されている。
The operation of each pixel 11 is based on the reset pulse 112 (φRST) supplied to the in-pixel amplifier 13,
The transfer pulse 113 (φPT
X), the pixel signal readout pulses 114 to 117 (φRD_G, φRD_M, φRD_
C, φRD_Y. However, other than φRD_G is not shown in FIG. 3). Further, a reset voltage 111 (VRST) for setting the reset level is supplied to the in-pixel amplifier 13.

【0056】本実施例では、リセット・パルス112
(φRST)と転送パルス113(φPTX)は基本動
作単位となる4個の画素間で共通とし、4個の画素にお
ける光の蓄積タイミングが一致するようになっている。
すなわち、基本動作単位となる4個の画素の間では、各
々の画素内増幅部13が、リセット・パルス112(φ
RST)によってリセット電圧111(VRST)で決
まるリセット・レベルに同時にリセットされた後、転送
パルス113(φPTX)を印加することによって、受
光部12において光電変換された信号がそれぞれの画素
内増幅部13へ同時に転送されるようになっている。あ
る1つの転送から次の転送までの時間間隔が画素におけ
る光の蓄積時間となる。
In this embodiment, the reset pulse 112
(ΦRST) and the transfer pulse 113 (φPTX) are common to the four pixels which are the basic operation units, so that the light accumulation timings of the four pixels coincide.
That is, among the four pixels that are the basic operation units, each of the in-pixel amplifiers 13 outputs the reset pulse 112 (φ
RST), the signal is reset to the reset level determined by the reset voltage 111 (VRST) at the same time, and then the transfer pulse 113 (φPTX) is applied. To be transferred simultaneously. The time interval from one transfer to the next transfer is the light accumulation time in the pixel.

【0057】画素11の内部で転送された信号は、画素
信号読出しパルス(例えば、Gの画素に対してはφRD
_G)が印加されて初めて、画素11の外部、より具体
的には垂直信号線101によって画素外増幅部31へ伝
わるようになっている。
The signal transferred inside the pixel 11 includes a pixel signal readout pulse (for example, φRD for a G pixel).
_G) is applied to the outside of the pixel 11, more specifically, to the extra-pixel amplification unit 31 through the vertical signal line 101.

【0058】再び図2に戻って説明する。垂直信号線1
01は、その終端が画素外増幅部31に接続されてい
る。画素外増幅部31は、基本動作単位となる各画素1
1からの出力信号が後続の処理に必要なレベルにまで増
幅するようになっている。画素外増幅部31には、増幅
部読出しパルス137(φCRD)が与えられており、
先述の4つの画素信号読出しパルス114〜117(φ
RD_G,φRD_M,φRD_C,φRD_Y)に同期し
て各画素11からの出力信号が画素外増幅部31へ送り
込まれ、増幅されるようになっている。画素外増幅部3
1の出力は、垂直増幅信号線102に接続されており、
ここで増幅された信号は記憶部21並びに演算部32に
出力される。
Returning to FIG. 2, the description will be continued. Vertical signal line 1
01 has its terminal connected to the extra-pixel amplifying unit 31. The extra-pixel amplifying unit 31 includes a pixel 1 serving as a basic operation unit.
1 is amplified to a level required for the subsequent processing. The amplifier read-out pulse 137 (φCRD) is given to the extra-pixel amplifier 31.
The aforementioned four pixel signal readout pulses 114 to 117 (φ
The output signal from each pixel 11 is sent to the extra-pixel amplifying unit 31 and is amplified in synchronization with (RD_G, φRD_M, φRD_C, φRD_Y). Out-of-pixel amplifier 3
1 is connected to the vertical amplified signal line 102,
The signal amplified here is output to the storage unit 21 and the arithmetic unit 32.

【0059】記憶部21内部には、1つの画素につき2
個、すなわち基本動作単位では計8個のアナログ・メモ
リ22が配置されている。各々のアナログ・メモリ22
は垂直増幅信号線102を共有しており、後述する制御
信号の規則に従って、増幅された信号を記憶したり、記
憶しておいた信号を読み出したりすることができる。
In the storage unit 21, two pixels are stored for each pixel.
, That is, a total of eight analog memories 22 in the basic operation unit. Each analog memory 22
Share the vertical amplification signal line 102, and can store the amplified signal and read the stored signal in accordance with the rules of the control signal described later.

【0060】ここで、図4を参照しながら、アナログ・
メモリ22について説明する。
Here, referring to FIG.
The memory 22 will be described.

【0061】8個のアナログ・メモリ22は、2個ずつ
が1つの画素に対応している。すなわち、G,M,C,
Yの各画素に対応して、アナログ・メモリ1G及び2
G、1M及び2M、1C及び2C、1Y及び2Yが配置
されている。また、各アナログ・メモリ22には、アナ
ログ・メモリ読出しパルス121〜128(φAMR_
1G,φAMR_2G,φAMR_1M,φAMR_2
M,φAMR_1C,φAMR_2C,φAMR_1Y,
φAMR_2Y)、並びに、アナログ・メモリ書き込み
パルス129〜136(φAMW_1G,φAMW_2
G,φAMW_1M,φAMW_2M,φAMW_1C,
φAMW_2C,φAMW_1Y,φAMW_2Y)がそれ
ぞれ与えられている。
Each of the eight analog memories 22 corresponds to one pixel. That is, G, M, C,
The analog memories 1G and 2G correspond to each pixel of Y.
G, 1M and 2M, 1C and 2C, 1Y and 2Y are arranged. Further, each analog memory 22 has analog memory read pulses 121 to 128 (φAMR_
1G, φAMR_2G, φAMR_1M, φAMR_2
M, φAMR_1C, φAMR_2C, φAMR_1Y,
φAMR_2Y) and analog memory write pulses 129 to 136 (φAMW_1G, φAMW_2
G, φAMW_1M, φAMW_2M, φAMW_1C,
φAMW_2C, φAMW_1Y, φAMW_2Y) are given, respectively.

【0062】アナログ・メモリ読出しパルスが印加され
たアナログ・メモリ22からは、垂直増幅信号線102
を介して信号を読み出される。また、アナログ・メモリ
書き込みパルスが印加されたアナログ・メモリ22に
は、垂直増幅信号線102に現れている信号を記憶する
ことができる。
From the analog memory 22 to which the analog memory read pulse has been applied, the vertical amplified signal line 102
The signal is read out via. The signal appearing on the vertical amplification signal line 102 can be stored in the analog memory 22 to which the analog memory write pulse has been applied.

【0063】再び図2に戻って説明する。Returning to FIG. 2, the description will be continued.

【0064】垂直増幅信号線102は、アナログ・メモ
リ22とともに、演算部32にも接続されている。アナ
ログ・メモリ22に記憶され、又は読み出された信号
を、後述する制御信号に従って演算部32へ伝えること
ができる。
The vertical amplification signal line 102 is connected not only to the analog memory 22 but also to the operation unit 32. The signal stored or read in the analog memory 22 can be transmitted to the arithmetic unit 32 according to a control signal described later.

【0065】演算部32では、アナログ・メモリ22か
ら入力された読出し信号を演算するとともに、該演算結
果を演算出力信号103として出力し、その出力信号は
各画素に対応するデジタル・メモリ41のライト・イネ
ーブル信号として作用する。演算部32には、演算パル
ス138(φOP)並びに演算読出しパルス139(φ
PRD)が与えられている。そして、演算部32は、演
算パルス138(φOP)が印加されている期間に入力
された2つの信号の大小比較を行い、演算読出しパルス
139(φPRD)が印加されている間に、その比較結
果を、例えばロー又はハイ・レベルの演算出力信号10
3として出力するようになっている。
The operation section 32 operates a read signal input from the analog memory 22 and outputs the operation result as an operation output signal 103. The output signal is written in the digital memory 41 corresponding to each pixel. -Acts as an enable signal. The operation unit 32 includes an operation pulse 138 (φOP) and an operation read pulse 139 (φ
PRD). The operation unit 32 compares the magnitudes of the two signals input during the period in which the operation pulse 138 (φOP) is applied, and compares the comparison result while the operation read pulse 139 (φPRD) is applied. For example, a low or high level operation output signal 10
3 is output.

【0066】本実施例では、1画素につき1個のデジタ
ル・メモリ41が用意されている。各デジタル・メモリ
41のビット数は、処理する信号に最適な数を設定され
(例えば、16ビット)、そのビット数に相応するビッ
ト幅のデジタル・データ入力信号141(DATA_I
N)が接続されている。このデジタル・データ入力信号
141は、撮像素子内部のデジタル回路で発生された信
号でもよいし、撮像素子外部から供給される信号であっ
てもよい。
In this embodiment, one digital memory 41 is prepared for each pixel. The number of bits of each digital memory 41 is set to an optimal number (for example, 16 bits) for a signal to be processed, and the digital data input signal 141 (DATA_I) having a bit width corresponding to the number of bits is set.
N) are connected. The digital data input signal 141 may be a signal generated by a digital circuit inside the image sensor or a signal supplied from outside the image sensor.

【0067】各画素に対応したデジタル・メモリ41に
は、チップ選択信号142〜145(φCS_G,φC
S_M,φCS_C,φCS_Y。但し、φCS_G以外は
図2には図示されていない)が与えられており、チップ
選択信号によって選択されたデジタル・メモリ41のみ
が書き込み若しくは読出し動作が可能となる。また、デ
ジタル・メモリ41の出力は、そのメモリ・ビット数に
応じたビット幅を持つデジタル信号線すなわちメモリ・
バス104経由で出力部51に接続されている。
In the digital memory 41 corresponding to each pixel, chip select signals 142 to 145 (φCS_G, φC
S_M, φCS_C, φCS_Y. However, except for φCS_G, which is not shown in FIG. 2), only the digital memory 41 selected by the chip select signal can perform the write or read operation. The output of the digital memory 41 is a digital signal line having a bit width corresponding to the number of memory bits, that is, a memory signal.
It is connected to the output unit 51 via the bus 104.

【0068】演算部32からの演算出力信号103がラ
イト・イネーブル信号となっているので、ライト・イネ
ーブル信号が印加されているときには、チップ選択信号
によって選択されているデジタル・メモリのみに、撮像
素子内部もしくは外部から供給されるデジタル・データ
入力信号141(DATA_IN)が記憶されるように
なっている。他方、デジタルメモリ41へのライト・イ
ネーブル信号が印加されていないときには、チップ選択
信号が印加されたデジタル・メモリ41に記憶されてい
た信号がメモリ・バス104に読み出され、出力部51
へ伝送されるようになっている。
Since the operation output signal 103 from the operation unit 32 is a write enable signal, when the write enable signal is applied, only the digital memory selected by the chip selection signal is supplied to the image sensor. A digital data input signal 141 (DATA_IN) supplied from inside or outside is stored. On the other hand, when the write enable signal to the digital memory 41 is not applied, the signal stored in the digital memory 41 to which the chip select signal is applied is read out to the memory bus 104, and the output unit 51
To be transmitted to

【0069】出力部51では,後述する制御信号に同期
して、画素毎のデジタル出力を撮像素子の外部へ出力す
るようになっている。すなわち、図示の通り、出力部5
1は垂直に並んだ画素の基本単位の個数だけ並設されて
いる。各出力部51には、デジタル・メモリ出力パルス
151(φPOUT)が逐次的に与えられており、該入
力に同期して、対応するデジタル・メモリ41からメモ
リ・バス104を介して読み出された信号が、出力部5
1を通してデジタル列出力105として、撮像素子の外
部へデジタルの画素信号となって出力される。
The output unit 51 outputs a digital output for each pixel to the outside of the image sensor in synchronization with a control signal described later. That is, as shown in FIG.
Numerals 1 are juxtaposed by the number of basic units of vertically arranged pixels. Each output unit 51 is sequentially provided with a digital memory output pulse 151 (φPOUT), and is read out from the corresponding digital memory 41 via the memory bus 104 in synchronization with the input. When the signal is output
1 and output as a digital column signal 105 to the outside of the image sensor as a digital pixel signal.

【0070】次いで、図5を参照しながら、図2の基本
動作単位における動作タイミングについて説明する。
Next, the operation timing in the basic operation unit of FIG. 2 will be described with reference to FIG.

【0071】一般に、光強度の時間的な変化をできるだ
け高速に演算するためには、光の蓄積時間はできるだけ
短い方がよい。しかしながら、蓄積時間が短くなると、
1回の演算で利用する1つの画素から得られる光電変換
された信号は当然弱くなるので、その分だけ演算過程で
ノイズの影響を受け易くなる。本実施例に係る撮像素子
によれば、このような蓄積時間の短い状態での演算を行
う場合には、後述するように、複数の(すなわち基本動
作単位となる)画素の出力信号を同時に利用することに
よって、単体の画素の信号だけを用いる場合よりも信号
量を増やし、ノイズの影響を低減することが可能とな
る。
Generally, in order to calculate the temporal change of the light intensity as fast as possible, the light accumulation time should be as short as possible. However, as the accumulation time becomes shorter,
Naturally, the photoelectrically converted signal obtained from one pixel used in one operation is weakened, so that the operation process is more likely to be affected by noise. According to the imaging device according to the present embodiment, when performing the calculation in such a short accumulation time, as described later, the output signals of a plurality of pixels (that is, a basic operation unit) are simultaneously used. By doing so, it is possible to increase the signal amount and reduce the influence of noise as compared with the case where only the signal of a single pixel is used.

【0072】本実施例に係る撮像素子は、モードAから
モードDまで4通りの動作モードで駆動することができ
る。これら4つの動作モードは、アナログ・メモリ22
への信号記憶動作ならびに読出し動作を逐次的に行い、
結果として時間軸に沿った一種の微分処理を連続して行
うことを可能とするものである。以下、各動作モードに
ついて説明する。
The image sensor according to the present embodiment can be driven in four operation modes from mode A to mode D. These four modes of operation are based on the analog memory 22
Sequentially perform a signal storage operation and a read operation to
As a result, it is possible to continuously perform a kind of differential processing along the time axis. Hereinafter, each operation mode will be described.

【0073】モードA:モードAでは、まず、画素読出
しパルスφRD_M(115)とφRD_C(116)を
印加することによって画素Mと画素Cから信号を読み出
し、さらにアナログ・メモリ書き込みパルスφAMW_
1M(131)を印加することによってこれら読み出し
信号を画素Mに対応するアナログ・メモリ1Mに記憶す
る。
Mode A: In the mode A, first, signals are read from the pixels M and C by applying the pixel read pulses φRD_M (115) and φRD_C (116), and the analog memory write pulse φAMW_
By applying 1M (131), these read signals are stored in the analog memory 1M corresponding to the pixel M.

【0074】続いて、同じくモードAの期間内で、画素
読出しパルスφRD_G(114)とφRD_Y(11
7)を印加することによって画素Gと画素Yから信号を
読み出し、さらにアナログメモリ書き込みパルスφAM
W_1G(129)を印加することによってこれら読み
出し信号を画素Gに対応するアナログ・メモリ1Gに記
憶する。
Subsequently, the pixel readout pulses φRD_G (114) and φRD_Y (11
7), the signals are read out from the pixels G and Y, and the analog memory write pulse φAM
By applying W_1G (129), these read signals are stored in the analog memory 1G corresponding to the pixel G.

【0075】上記の動作においては、増幅部読出しパル
ス137(φCRD)を、画素読出しパルス114〜1
17(φRD_G,φRD_M,φRD_C,φRD_Y)
と同時に印加することで、画素外増幅部31で増幅され
た信号が、垂直増幅信号線102を経由して対応するア
ナログ・メモリ22に記憶されるようになっている。
In the above operation, the amplifier reading pulse 137 (φCRD) is changed to the pixel reading pulses 114 to 1.
17 (φRD_G, φRD_M, φRD_C, φRD_Y)
At the same time, the signal amplified by the extra-pixel amplification unit 31 is stored in the corresponding analog memory 22 via the vertical amplification signal line 102.

【0076】さらに続いて、アナログ・メモリ読出しパ
ルスφAMR_2M(124)、φAMR_1C(12
5)、φAMR_2G(122)、φAMR_1Y(12
7)を印加することによって、画素Mに対するアナログ
・メモリ2M、画素Cに対するアナログ・メモリ1C、
画素Gに対するアナログ・メモリ2G、そして画素Yに
対するアナログ・メモリ1Yに記憶されていた各信号を
同時に読み出すとともに、演算パルスφOP(138)
を印加することによって、それらの信号を一括して演算
部32に入力する。
Subsequently, analog memory read pulses φAMR_2M (124), φAMR_1C (12
5), φAMR_2G (122), φAMR_1Y (12
7), the analog memory 2M for the pixel M, the analog memory 1C for the pixel C,
The signals stored in the analog memory 2G for the pixel G and the signal stored in the analog memory 1Y for the pixel Y are simultaneously read, and the operation pulse φOP (138)
, The signals are collectively input to the arithmetic unit 32.

【0077】そして今度は、アナログ・メモリ読出しパ
ルスφAMR_1M(123)、φAMR_2C(12
6)、φAMR_1G(121)、φAMR_2Y(12
8)を印加することによって、画素Mに対するアナログ
・メモリ1M、画素Cに対するアナログ・メモリ2C、
画素Gに対するアナログ・メモリ1G、そして画素Yに
対するアナログ・メモリ2Yに記憶されていた各信号を
同時に読み出して、これらを一括して演算部32に入力
する。
Then, the analog memory read pulses φAMR_1M (123) and φAMR_2C (12
6), φAMR_1G (121), φAMR_2Y (12
8), the analog memory 1M for the pixel M, the analog memory 2C for the pixel C,
The signals stored in the analog memory 1G for the pixel G and the signal stored in the analog memory 2Y for the pixel Y are read out at the same time, and these are collectively input to the arithmetic unit 32.

【0078】このとき、演算部32では、最初に一括し
て入力された4つの信号の合計と後で一括して入力され
た4つの信号の合計を比較した結果を、演算読出しパル
スφPRD(139)が印加されている期間に、デジタ
ル・メモリ41のライト・イネーブル信号として演算出
力信号103を出力する。
At this time, the operation section 32 compares the result of comparing the sum of the four signals input at once with the sum of the four signals input at one time later with the operation read pulse φPRD (139). The calculation output signal 103 is output as a write enable signal for the digital memory 41 during the period in which the signal is applied.

【0079】そして、デジタル・メモリ41を選択する
チップ選択信号としてφCS_M(143)が印加され
ているので、上記演算結果としては、ライト・イネーブ
ル信号に応じて、画素Mに対応するデジタル・メモリ4
1にデジタル・データ入力信号141が記憶される。
Since φCS_M (143) is applied as a chip selection signal for selecting the digital memory 41, the result of the above operation is the digital memory 4 corresponding to the pixel M in accordance with the write enable signal.
1, the digital data input signal 141 is stored.

【0080】モードB:モードBでは、まず画素読出し
パルスφRD_M(115)とφRD_C(116)を印
加することによって画素Mと画素Cから信号を読み出
し、さらにアナログ・メモリ書き込みパルスφAMW_
2M(132)を印加することによってこれら読み出し
信号を画素Mに対応するアナログ・メモリ2Mに記憶す
る。
Mode B: In mode B, first, signals are read from the pixels M and C by applying the pixel read pulses φRD_M (115) and φRD_C (116), and further, the analog memory write pulse φAMW_
By applying 2M (132), these read signals are stored in the analog memory 2M corresponding to the pixel M.

【0081】続いて、同じくモードBの期間内で、画素
読出しパルスφRD_G(114)とφRD_Y(11
7)を印加することによって画素Gと画素Yから信号を
読み出し、さらにアナログ・メモリ書き込みパルスφA
MW_2G(130)を印加することによってこれら読
み出し信号を画素Gに対応するアナログ・メモリ2Gに
記憶する。
Subsequently, the pixel readout pulses φRD_G (114) and φRD_Y (11
7) to read out the signals from the pixels G and Y, and further apply the analog memory write pulse φA
By applying MW_2G (130), these read signals are stored in the analog memory 2G corresponding to the pixel G.

【0082】この動作モード下でも、増幅部読出しパル
ス137(φCRD)を、画素読出しパルス114〜1
17(φRD_G,φRD_M,φRD_C,φRD_Y)
と同時に印加することで、画素外増幅部31で増幅され
た信号を、垂直増幅信号線102を経由して対応するア
ナログ・メモリ22に記憶するようになっている。
Even in this operation mode, the amplifier read pulse 137 (φCRD) is supplied to the pixel read pulses 114 to 1.
17 (φRD_G, φRD_M, φRD_C, φRD_Y)
At the same time, the signal amplified by the extra-pixel amplifying unit 31 is stored in the corresponding analog memory 22 via the vertical amplified signal line 102.

【0083】さらに続いて、アナログ・メモリ読出しパ
ルスφAMR_1C(125)、φAMR_2C(12
6),φAMR_1Y(127),φAMR_2Y(12
8)を印加することによって、画素Cに対するアナログ
・メモリ1C、アナログ・メモリ2C、画素Yに対する
アナログ・メモリ1Y、並びにアナログメモリ2Yに記
憶されていた信号を同時に読み出して、演算パルスφO
P(138)を印加することによって、それらの信号を
一括して演算部32に入力する。
Subsequently, analog memory read pulses φAMR_1C (125) and φAMR_2C (12)
6), φAMR_1Y (127), φAMR_2Y (12
8), the analog memory 1C for the pixel C, the analog memory 2C, the analog memory 1Y for the pixel Y, and the signal stored in the analog memory 2Y are simultaneously read out, and the operation pulse φO
By applying P (138), those signals are collectively input to the arithmetic unit 32.

【0084】そして今度は、アナログ・メモリ読出しパ
ルスφAMR_1M(123)、φAMR_2M(12
4)、φAMR_1G(121)、φAMR_2G(12
2)を印加することによって、画素Mに対するアナログ
・メモリ1M並びにアナログ・メモリ2M、画素Gに対
するアナログ・メモリ1G並びにアナログ・メモリ2G
に記憶されていた各信号を同時に読み出して、これらを
一括して演算部32に入力する。
Then, the analog memory read pulses φAMR_1M (123) and φAMR_2M (12
4), φAMR_1G (121), φAMR_2G (12
2), the analog memory 1M and the analog memory 2M for the pixel M, the analog memory 1G and the analog memory 2G for the pixel G
Are read out at the same time, and these are collectively input to the arithmetic unit 32.

【0085】このとき、演算部32では、最初に一括し
て入力された4つの信号の合計と後で一括して入力され
た4つの信号の合計を比較した結果を、演算読出しパル
スφPRD(139)が印加されている期間に、デジタ
ル・メモリ41のライト・イネーブル信号として演算出
力信号103を出力する。
At this time, the operation section 32 compares the result of comparing the sum of the four signals input collectively at the beginning with the sum of the four signals input collectively later, with the operation read pulse φPRD (139). The calculation output signal 103 is output as a write enable signal for the digital memory 41 during the period in which the signal is applied.

【0086】そして、デジタル・メモリ41を選択する
チップ選択信号として、やはりφCS_M(143)が
印加されているので、上記演算結果として、ライト・イ
ネーブル信号に応じて、画素Mに対応するデジタル・メ
モリ41にデジタル・データ入力信号141が記憶され
る。
Since φCS_M (143) is also applied as a chip selection signal for selecting the digital memory 41, the digital memory corresponding to the pixel M is output as the operation result in accordance with the write enable signal. At 41, a digital data input signal 141 is stored.

【0087】モードC:モードCでは、まず画素読出し
パルスφRD_M(115)とφRD_C(116)を印
加することによって画素Mと画素Cから信号を読み出し
て、さらにアナログ・メモリ書き込みパルスφAMW_
1C(133)を印加することによってこれら読み出し
信号を画素Cに対応するアナログ・メモリ1Cに記憶す
る。
Mode C: In mode C, first, signals are read from the pixels M and C by applying the pixel read pulses φRD_M (115) and φRD_C (116), and the analog memory write pulse φAMW_
By applying 1C (133), these read signals are stored in the analog memory 1C corresponding to the pixel C.

【0088】続いて、同じくモードCの期間内で、画素
読出しパルスφRD_G(114)とφRD_Y(11
7)を印加することによって画素Gと画素Yから信号を
読み出して、さらにアナログ・メモリ書き込みパルスφ
AMW_1Y(135)を印加することによってこれら
読み出し信号を画素Yに対応するアナログ・メモリ1Y
に記憶する。
Subsequently, the pixel readout pulses φRD_G (114) and φRD_Y (11
7) read out signals from the pixels G and Y by applying
By applying AMW_1Y (135), these read signals are converted to the analog memory 1Y corresponding to the pixel Y.
To memorize.

【0089】この動作モード下でも、増幅部読出しパル
ス137(φCRD)を、画素読出しパルス114〜1
17(φRD_G,φRD_M,φRD_C,φRD_Y)
と同時に印加することで、画素外増幅部31で増幅され
た信号を、垂直増幅信号線102を経由して対応するア
ナログ・メモリ22に記憶するようになっている。
Even in this operation mode, the amplifier read pulse 137 (φCRD) is supplied to the pixel read pulses 114 to 1.
17 (φRD_G, φRD_M, φRD_C, φRD_Y)
At the same time, the signal amplified by the extra-pixel amplifying unit 31 is stored in the corresponding analog memory 22 via the vertical amplified signal line 102.

【0090】さらに続いて、アナログ・メモリ読出しパ
ルスφAMR_1M(123)、φAMR_2C(12
6)、φAMR_1G(121)、φAMR_2Y(12
8)を印加することによって、画素Mに対するアナログ
・メモリ1M、画素Cに対するアナログ・メモリ2C、
画素Gに対するアナログ・メモリ1G、そして画素Yに
対するアナログ・メモリ2Yに記憶されていた信号を同
時に読み出して、演算パルスφOP(138)を印加す
ることによって、それらの信号を一括して演算部32に
入力する。
Subsequently, analog memory read pulses φAMR_1M (123) and φAMR_2C (12
6), φAMR_1G (121), φAMR_2Y (12
8), the analog memory 1M for the pixel M, the analog memory 2C for the pixel C,
The signals stored in the analog memory 1G for the pixel G and the signal stored in the analog memory 2Y for the pixel Y are read out at the same time, and by applying an operation pulse φOP (138), the signals are collectively transmitted to the operation unit 32. input.

【0091】そして今度は、アナログ・メモリ読出しパ
ルスφAMR_2M(124)、φAMR_1C(12
5)、φAMR_2G(122)、φAMR_1Y(12
7)を印加することによって画素Mに対するアナログ・
メモリ2M、画素Cに対するアナログ・メモリ1C、画
素Gに対するアナログ・メモリ2G、そして画素Yに対
するアナログ・メモリ1Yに記憶されていた各信号を同
時に読み出して、一括して演算部32に入力する。
Then, the analog memory read pulses φAMR_2M (124) and φAMR_1C (12
5), φAMR_2G (122), φAMR_1Y (12
7) by applying an analog
The signals stored in the memory 2M, the analog memory 1C for the pixel C, the analog memory 2G for the pixel G, and the signal stored in the analog memory 1Y for the pixel Y are simultaneously read and input to the arithmetic unit 32 at a time.

【0092】このとき、演算部32では、最初に一括し
て入力された4つの信号の合計と後で一括して入力され
た4つの信号の合計を比較した結果を、演算読出しパル
スφPRD(139)が印加されている期間に、デジタ
ル・メモリ41のライト・イネーブル信号として演算出
力信号103を出力する。
At this time, the arithmetic unit 32 compares the sum of the four signals input collectively at the beginning with the sum of the four signals input collectively later and calculates the operation read pulse φPRD (139). The calculation output signal 103 is output as a write enable signal for the digital memory 41 during the period in which the signal is applied.

【0093】そして、上記の演算結果により、チップ選
択信号143(φCS_M)を印加することによって、
ライト・イネーブル信号に応じて、画素Mに対応するデ
ジタルメモリ41にデジタル・データ入力信号141が
記憶される。
Then, by applying the chip selection signal 143 (φCS_M) based on the above operation result,
In response to the write enable signal, the digital data input signal 141 is stored in the digital memory 41 corresponding to the pixel M.

【0094】モードD:モードDでは、まず画素読出し
パルスφRD_M(115)とφRD_C(116)によ
って画素Mと画素Cから信号を読み出し、さらにアナロ
グ・メモリ書き込みパルスφAMW_2C(134)を印加するこ
とによってこれら読み出し信号を画素Cに対応するアナ
ログ・メモリ2Cに記憶する。
Mode D: In mode D, first, signals are read out from the pixels M and C by the pixel readout pulses φRD_M (115) and φRD_C (116), and the analog memory write pulse φAMW_2C (134) is applied. The read signal is stored in the analog memory 2C corresponding to the pixel C.

【0095】続いて、同じくモードDの期間内で、画素
読出しパルスφRD_G(114)とφRD_Y(11
7)によって画素Gと画素Yから信号を読み出し、さら
にアナログ・メモリ書き込みパルスφAMW_2Y(1
36)を印加することによってこれら読み出し信号を画
素Yに対応するアナログメモリ2Yに記憶する。
Subsequently, the pixel read pulses φRD_G (114) and φRD_Y (11
7), the signals are read from the pixels G and Y, and the analog memory write pulse φAMW_2Y (1
36), these readout signals are stored in the analog memory 2Y corresponding to the pixel Y.

【0096】この動作モード下でも、増幅部読出しパル
ス137(φCRD)を、画素読出しパルス114〜1
17(φRD_G,φRD_M,φRD_C,φRD_Y)
と同時に印加することで、画素外増幅部31で増幅され
た信号を、垂直増幅信号線102を経由して対応するア
ナログ・メモリ22に記憶するようになっている。
Even in this operation mode, the amplifier read pulse 137 (φCRD) is supplied to the pixel read pulses 114-1.
17 (φRD_G, φRD_M, φRD_C, φRD_Y)
At the same time, the signal amplified by the extra-pixel amplifying unit 31 is stored in the corresponding analog memory 22 via the vertical amplified signal line 102.

【0097】さらに続いて、アナログ・メモリ読出しパ
ルスφAMR_1M(123)、φAMR_2M(12
4)、φAMR_1G(121)、φAMR_2G(12
2)を印加することによって、画素Mに対するアナログ
・メモリ1M並びにアナログ・メモリ2M、画素Gに対
するアナログ・メモリ1G並びにアナログ・メモリ2G
に記憶されていた信号を同時に読み出して、演算パルス
φOP(138)を印加することによって、それらの信
号を一括して演算部32に入力する。
Subsequently, analog memory read pulses φAMR_1M (123) and φAMR_2M (12
4), φAMR_1G (121), φAMR_2G (12
2), the analog memory 1M and the analog memory 2M for the pixel M, the analog memory 1G and the analog memory 2G for the pixel G
Are read out at the same time, and by applying an operation pulse φOP (138), the signals are collectively input to the operation unit 32.

【0098】そして今度は、アナログ・メモリ読出しパ
ルスφAMR_1C(125)、φAMR_2C(12
6)、φAMR_1Y(127)、φAMR_2Y(12
8)を印加することによって画素Cに対するアナログ・
メモリ1C並びにアナログ・メモリ2C、画素Yに対す
るアナログ・メモリ1Y並びにアナログ・メモリ2Yに
記憶されていた信号を同時に読み出して、一括して演算
部32に入力する。
Then, analog memory read pulses φAMR_1C (125) and φAMR_2C (12
6), φAMR_1Y (127), φAMR_2Y (12
8) to apply an analog signal to pixel C
The signals stored in the memory 1C and the analog memory 2C, and the signals stored in the analog memory 1Y and the analog memory 2Y for the pixel Y are simultaneously read out and input to the arithmetic unit 32 at a time.

【0099】このとき、演算部32では、最初に一括し
て入力された4つの信号の合計と後で一括して入力され
た4つの信号の合計を比較した結果を、演算読出しパル
スφPRD(139)が印加されている期間に、デジタ
ル・メモリ41のライト・イネーブル信号として演算出
力信号103を出力する。
At this time, the operation section 32 compares the sum of the four signals input at once with the sum of the four signals input at a later time by the operation read pulse φPRD (139). The calculation output signal 103 is output as a write enable signal for the digital memory 41 during the period in which the signal is applied.

【0100】そして,画素Mに対するデジタル・メモリ
41のチップ選択信号φCS_M(143)を印加する
ことによって、このデジタル・メモリ41にのみ、その
ときのデジタル・データ入力信号141を記憶するよう
になっている。
By applying the chip select signal φCS_M (143) of the digital memory 41 to the pixel M, the digital data input signal 141 at that time is stored only in the digital memory 41. I have.

【0101】なお、上述したモードAからモードDにお
いては、リセット・パルス112(φRST)と転送パ
ルス113(φPTX)はいずれも、画素読出しパルス
114〜117(φRD_G,φRD_M,φRD_C,
φRD_Y)の前に与えられているので、モードが切り
替わる毎に新たに光電変換された信号を演算に用いるよ
うになっている。
In modes A to D described above, reset pulse 112 (φRST) and transfer pulse 113 (φPTX) are both pixel readout pulses 114 to 117 (φRD_G, φRD_M, φRD_C,
(RD_Y), a newly photoelectrically converted signal is used for calculation every time the mode is switched.

【0102】このように、モードAからモードDまでの
4通りの動作モードを繰り返して実行する場合、1つの
モード期間内で光電変換された2個ずつの画素の合計信
号レベルをf(k)とおくと、下式に示すような時間軸
に沿った信号の微分に相当する演算処理を行うことが可
能となる(但し、kは時間のサンプリングを示すインデ
ックス)。
As described above, when the four operation modes from mode A to mode D are repeatedly executed, the total signal level of every two pixels photoelectrically converted in one mode period is represented by f (k). In this case, it is possible to perform an arithmetic process corresponding to the differentiation of the signal along the time axis as shown in the following equation (where k is an index indicating time sampling).

【0103】[0103]

【数1】 f(f)+f(k−1)−{f(k−2)+f(k−3)} (式1)F (f) + f (k−1) − {f (k−2) + f (k−3)} (Equation 1)

【0104】これを表にすると下のようになる。This is tabulated below.

【0105】[0105]

【表1】 [Table 1]

【0106】上表で、1Mや2Gと表記してあるのは、
それぞれ画素Mのアナログ・メモリ1M、画素Gのアナ
ログ・メモリ2Gに記憶してある信号を意味している。
例えばサンプリング時刻k−4のときは、時刻k−4,
k−5,k−6,k−7という連続するサンプリング時
刻における各画素の信号を用いて、下式に示すようにモ
ードAにおける演算を行うことができる。
In the above table, 1M and 2G are described as follows.
It means signals stored in the analog memory 1M of the pixel M and the analog memory 2G of the pixel G, respectively.
For example, at sampling time k-4, time k-4,
The operation in mode A can be performed as shown in the following equation using the signals of the respective pixels at successive sampling times k-5, k-6, and k-7.

【0107】[0107]

【数2】 (1M+1G+2C+2Y)−(1C+1Y+2M+2G) (式2)(2) (1M + 1G + 2C + 2Y) − (1C + 1Y + 2M + 2G) (Equation 2)

【0108】同様に、次のサンプリング時刻k−3で
は、下式に示すようにモードBにおける演算を行うこと
ができる。
Similarly, at the next sampling time k-3, the operation in mode B can be performed as shown in the following equation.

【0109】[0109]

【数3】 (2M+2G+1M+1G)−(2C+2Y+1C+1Y) (式3 )(2M + 2G + 1M + 1G)-(2C + 2Y + 1C + 1Y) (Equation 3)

【0110】以上のような順番でk−2,k−1,…と
演算を続けることによって、結果として(式1)の演算
を行っていることになる。
By continuing the calculation with k-2, k-1,... In the above order, the calculation of (Equation 1) is performed as a result.

【0111】しかも、この場合は4個の画素内でそれぞ
れ光電変換された信号を読み出しているので、各1つの
画素出力だけでは信号レベルの低い微弱な光に対する信
号の時間的変化を求めることができる。もちろん、同時
に処理する画素数を画素4個ではなく、6個、8個とい
うように基本動作単位の画素数を増加させていけば、さ
らに弱い光に対する演算処理も可能となる。
Further, in this case, since the photoelectrically converted signals are read out in the four pixels, it is possible to obtain the temporal change of the signal with respect to the weak light having a low signal level by using only one pixel output. it can. Of course, if the number of pixels to be processed simultaneously is increased from six to eight instead of four pixels, arithmetic processing for weaker light becomes possible.

【0112】なお、図5に示す動作タイミング・チャー
トでは、デジタル・メモリ41からの読出しタイミング
は示されていないが、必要な回数だけモードA,B,
C,D,A,B,C,D,…という具合に逐次的に処理
を行い、その後、デジタル・メモリ出力パルス151
(φPOUT)を記憶に用いたデジタル・メモリ41の
個数だけ順次発生させると同時に、読み出すべきデジタ
ル・メモリ41に対してチップ選択信号(この例の場合
はφCS_M)を印加して、メモリ・バス104から出
力部51を介してデジタル列出力105を得ることがで
きる。
Although the timing of reading from digital memory 41 is not shown in the operation timing chart shown in FIG. 5, modes A, B, and
The processing is sequentially performed in the order of C, D, A, B, C, D,.
(ΦPOUT) is sequentially generated by the number of digital memories 41 used for storage, and at the same time, a chip select signal (φCS_M in this example) is applied to the digital memory 41 to be read, and the memory bus 104 , A digital string output 105 can be obtained via the output unit 51.

【0113】次いで、画素が受光する光強度(明るさ)
をデジタル信号に変換して出力する時の動作タイミング
について説明する。
Next, the light intensity (brightness) received by the pixel
An operation timing when converting into a digital signal and outputting the signal will be described.

【0114】本実施例に係る撮像素子の動作の場合、1
回の蓄積時間は短いものの、画素から読み出された信号
は逐次加算されていくので、信号レベルの低下は避ける
ことができる(前述)。したがって、画素一つ一つを独
立して演算に用いることができ、解像度の低下も避ける
ことができる。しかも、オンチップ・カラーフィルタが
採用されている場合には、1チップ・カラー撮像素子と
してカラー出力も可能となる。
In the case of the operation of the image sensor according to this embodiment, 1
Although the accumulation time is short, the signals read from the pixels are sequentially added, so that a decrease in the signal level can be avoided (described above). Therefore, each pixel can be used independently for calculation, and a decrease in resolution can be avoided. In addition, when an on-chip color filter is employed, color output is possible as a one-chip color image sensor.

【0115】まず、図6を用いて、図3に示す単位画素
においてアナログ量である明るさをデジタル量に変換す
る原理について説明する。
First, the principle of converting the brightness, which is an analog amount, into a digital amount in the unit pixel shown in FIG. 3 will be described with reference to FIG.

【0116】VFDは、図3に示す画素11における画
素内増幅部13の信号電圧レベルである。通常の動作で
は画素内増幅部13にリセット・パルス112(φRS
T)を与えることによって、VFDには電源電圧に設定
されたリセット電圧111(VRST)によって決まる
リセット・レベルに設定されている。
VFD is the signal voltage level of the in-pixel amplifier 13 in the pixel 11 shown in FIG. In a normal operation, the reset pulse 112 (φRS
By applying T), VFD is set to the reset level determined by the reset voltage 111 (VRST) set to the power supply voltage.

【0117】この状態で画素11に光が照射されると、
受光部12には光電変換によって発生した電子が蓄積さ
れる。そして、受光部12に転送パルス113(φPT
X)を印加することによって、蓄積された電子を画素内
増幅部13に転送すると、信号電圧レベルVFDは先の
リセット・レベルから低下する。
When the pixel 11 is irradiated with light in this state,
Electrons generated by photoelectric conversion are accumulated in the light receiving unit 12. Then, the transfer pulse 113 (φPT
When the stored electrons are transferred to the in-pixel amplifier 13 by applying X), the signal voltage level VFD decreases from the previous reset level.

【0118】信号電圧レベルVFDの電圧が低下する度
合いは、転送される電子の量、すなわち受光部12への
入射光強度に比例している。したがって,明るい光が入
射されるほど信号電圧レベルVFDの低下は急峻とな
り、逆に暗いほどVFDは緩やかに低下することにな
る。
The degree to which the voltage of the signal voltage level VFD decreases is proportional to the amount of transferred electrons, that is, the intensity of light incident on the light receiving section 12. Therefore, the lower the signal voltage level VFD is, the steeper the light is, the lower the VFD is.

【0119】このような性質を利用すれば、例えば図6
に示すグラフにおいて、ラインHで示される明るい光、
ラインMの中間の明るさの光、そしてラインLの暗い光
のそれぞれの明るさレベルVH,VM,VLを、三角形
の相似関係に基づき以下の式によって表現することがで
きる。但し、TH,TM,TLはそれぞれ、明るさを表
すラインH,M,Lが、基準電圧に設定されたリセット
電圧111(VRST)によって決まる基準レベルと交
差するときの時刻を表すものとする。
By utilizing such properties, for example, FIG.
In the graph shown in FIG. 5, bright light indicated by line H,
The respective brightness levels VH, VM, VL of the light of the middle brightness of the line M and the dark light of the line L can be expressed by the following formula based on the similarity of the triangle. However, TH, TM, and TL respectively represent the times when the lines H, M, and L representing the brightness cross the reference level determined by the reset voltage 111 (VRST) set as the reference voltage.

【0120】[0120]

【数4】 VH = TS・ΔVR/TH (式4) VM = TS・ΔVR/TM (式5) VL = TS・ΔVR/TL (式6)VH = TS · ΔVR / TH (Equation 4) VM = TS · ΔVR / TM (Equation 5) VL = TS · ΔVR / TL (Equation 6)

【0121】したがって、時刻ゼロから光の蓄積を始
め、転送パルス113(φPTX)を印加する度に低下
していく信号電圧レベルVFDが基準レベルに達する瞬
間の時刻を検出することによって、受光部12において
検出される明るさを時刻の関数として表現することが可
能となる。
Accordingly, light accumulation starts from time zero and the instant when the signal voltage level VFD, which decreases every time the transfer pulse 113 (φPTX) is applied, reaches the reference level, is detected. Can be expressed as a function of time.

【0122】このとき、転送パルス113(φPTX)
を与えるタイミングを、サンプリング周期ΔT刻みの時
間としてカウントすれば、信号電圧レベルVFDが基準
レベルに達する瞬間の時刻を明るさのデジタル量として
得ることができる。
At this time, the transfer pulse 113 (φPTX)
Is counted as a time interval of the sampling period ΔT, the time at which the signal voltage level VFD reaches the reference level can be obtained as a digital amount of brightness.

【0123】また、信号電圧レベルVFDの値を直接基
準レベルと比較するのではなく、VFDが基準レベルで
あったときに画素から読み出される信号レベルを記憶し
ておき、光が照射されているときに転送パルス113
(φPTX)を与える度に時々刻々変化するVFDの値
を画素11から読み出される信号レベルと比較すること
によって、同様に明るさの検出が可能であるということ
は、上記の説明により当業者には容易に理解できるであ
ろう。
Also, instead of directly comparing the value of the signal voltage level VFD with the reference level, the signal level read from the pixel when VFD is at the reference level is stored, and when the light is irradiated. To transfer pulse 113
By comparing the value of the VFD that changes every moment with the signal level read from the pixel 11 every time (φPTX) is given, the brightness can be detected similarly. It will be easy to understand.

【0124】このようにして、明るさというアナログ量
を、時間刻みでサンプリングされた時刻情報によって量
子化されたデジタル量に変換することが可能な訳であ
る。なお、デジタル量のビット数は、時刻情報のサンプ
リングの細かさに依存する。
In this way, it is possible to convert an analog quantity called brightness into a digital quantity quantized by time information sampled at intervals of time. The number of bits of the digital amount depends on the fineness of the sampling of the time information.

【0125】図7には、明るさの基準となる基準レベル
に対応する画素出力信号をアナログ・メモリ22に記憶
する動作を示している。以下、同図を参照しながら該動
作について説明する。
FIG. 7 shows an operation of storing a pixel output signal corresponding to a reference level serving as a reference of brightness in the analog memory 22. Hereinafter, the operation will be described with reference to FIG.

【0126】まず、転送パルス113(φPTX)を印
加して、光電変換された信号を受光部12から画素内増
幅部13に掃き出す。但し、このときの出力信号は以降
の処理では必要ないので、直ちにリセット・パルス11
2(φRST)を印加して、電源電圧より低い基準電圧
に設定されているリセット電圧111(VRST)によ
って画素内増幅部13をリセットする。
First, a transfer pulse 113 (φPTX) is applied to sweep out the photoelectrically converted signal from the light receiving unit 12 to the in-pixel amplifier 13. However, since the output signal at this time is not necessary for the subsequent processing, the reset pulse 11
2 (φRST) is applied, and the in-pixel amplifier 13 is reset by a reset voltage 111 (VRST) set to a reference voltage lower than the power supply voltage.

【0127】そして、画素M、画素C、画素G、画素Y
の順に、画素読出しパルスφRD_M(115)、φR
D_C(116)、φRD_G(114)、φRD_Y
(117)を印加すると同時に、増幅部読出しパルス1
37(φCRD)及びアナログ・メモリ書き込みパルス
φAMW_1M(131)、φAMW_1C(133)、
φAMW_1G(129)、φAMW_1Y(135)を
印加することによって、アナログ・メモリ1M、アナロ
グ・メモリ1C、アナログ・メモリ1G、アナログ・メ
モリ1Yの各々に対応する画素から出力されて画素外増
幅部31で増幅された基準レベルに相当する信号を記憶
しておく。
Then, the pixel M, the pixel C, the pixel G, and the pixel Y
, The pixel read pulse φRD_M (115), φR
D_C (116), φRD_G (114), φRD_Y
At the same time as applying (117), the read pulse 1
37 (φCRD) and analog memory write pulses φAMW_1M (131), φAMW_1C (133),
By applying φAMW_1G (129) and φAMW_1Y (135), the signals are output from the pixels corresponding to each of the analog memory 1M, the analog memory 1C, the analog memory 1G, and the analog memory 1Y, and are output by the extra-pixel amplification unit 31. A signal corresponding to the amplified reference level is stored.

【0128】なお、この期間では、演算部32やデジタ
ル・メモリ41は動作する必要ないので、それらに対す
る駆動パルスは発生させていない。
In this period, since the arithmetic section 32 and the digital memory 41 do not need to operate, no drive pulse is generated for them.

【0129】図8には、図7に示す動作タイミングに従
って記憶した基準レベル信号と光電変換された信号の比
較を画素毎に行い、デジタル・メモリにその結果を格納
する一連の動作を示したタイミング・チャートである
FIG. 8 is a timing chart showing a series of operations for comparing the reference level signal stored in accordance with the operation timing shown in FIG. 7 with the photoelectrically converted signal for each pixel and storing the result in a digital memory.・ It is a chart

【0130】まず、先頭の記憶期間では、各画素M、
C、G、Yに対応するそれぞれのアナログ・メモリ2
M、2C、2G、2Yに、先の基準信号記憶期間以降に
光電変換された信号を記憶する。
First, in the first storage period, each pixel M,
Each analog memory 2 corresponding to C, G, Y
M, 2C, 2G, and 2Y store the signals photoelectrically converted after the previous reference signal storage period.

【0131】最初にリセット・パルス112(φRS
T)を印加して、電源電圧に設定されたリセット電圧1
11(VRST)(図示しない)によってそれぞれの画
素における画素内増幅部13をリセットする。
First, the reset pulse 112 (φRS
T) and reset voltage 1 set to the power supply voltage
11 (VRST) (not shown) resets the in-pixel amplifier 13 in each pixel.

【0132】その直後に転送パルス113(φPTX)
を印加して、受光部12で光電変換された信号を画素内
増幅部13へ転送する。
Immediately thereafter, the transfer pulse 113 (φPTX)
To transfer the signal photoelectrically converted by the light receiving unit 12 to the in-pixel amplifying unit 13.

【0133】そして、画素M、画素C、画素G、画素Y
の順に、画素読出しパルスφRD_M(115)、φR
D_C(116)、φRD_G(114)、φRD_Y
(117)を印加すると同時に、増幅部読出しパルス1
37(φCRD)及びアナログ・メモリ書き込みパルス
φAMW_2M(132)、φAMW_2C(134)、
φAMW_2G(130)、φAMW_2Y(136)を
印加することによって、アナログ・メモリ2M、2C、
2G、2Yの各々に、対応する画素から読み出されて画
素外増幅部31で増幅された信号を記憶する。
Then, the pixels M, C, G, Y
, The pixel read pulse φRD_M (115), φR
D_C (116), φRD_G (114), φRD_Y
(117) is applied, and at the same time
37 (φCRD) and analog memory write pulses φAMW_2M (132), φAMW_2C (134),
By applying φAMW_2G (130) and φAMW_2Y (136), the analog memories 2M, 2C,
In each of 2G and 2Y, a signal read from a corresponding pixel and amplified by the extra-pixel amplifying unit 31 is stored.

【0134】続いて、画素M、画素C、画素G、画素Y
の順に、アナログ・メモリ1M、1C、1G、1Yに記
憶された基準レベル信号とアナログ・メモリ2M、2
C、2G、2Yそれぞれに記憶された画素信号の比較を
行う。
Subsequently, pixel M, pixel C, pixel G, pixel Y
, The reference level signals stored in the analog memories 1M, 1C, 1G, and 1Y and the analog memories 2M, 2M,
The pixel signals stored in C, 2G, and 2Y are compared.

【0135】まず、演算パルス138(φOP)が印加
されている間に、まずアナログ・メモリ読出しパルス1
24(φAMR_2M)を印加することによってアナロ
グ・メモリ2Mに記憶されている画素Mの信号を読み出
し、次いで、アナログ・メモリ読出しパルス123(φ
AMR_1M)を印加することによってアナログ・メモ
リ1Mに記憶されている画素Mの基準レベル信号を演算
部32へ読み出す。
First, while the operation pulse 138 (φOP) is being applied, first, the analog memory read pulse 1
24 (φAMR_2M) to read the signal of the pixel M stored in the analog memory 2M, and then read the analog memory read pulse 123 (φ
AMR_1M), the reference level signal of the pixel M stored in the analog memory 1M is read out to the arithmetic unit 32.

【0136】そして、両者の信号レベルを比較して、演
算読出しパルス139(φPRD)が印加されている間
に画素Mに対応するデジタル・メモリ41をチップ選択
信号143(φCS_M)によって選択する。例えば、
基準レベル信号の方が読み出した画素信号よりも小さけ
れば、そのときのデジタル・データ入力信号141(D
ATA_IN)の値を画素Mに対応するデジタル・メモ
リ41に書き込む。
Then, by comparing the signal levels of the two, the digital memory 41 corresponding to the pixel M is selected by the chip select signal 143 (φCS_M) while the operation read pulse 139 (φPRD) is being applied. For example,
If the reference level signal is smaller than the read pixel signal, the digital data input signal 141 (D
ATA_IN) is written to the digital memory 41 corresponding to the pixel M.

【0137】以上の処理が終了したら、演算パルス13
8(φOP)を一旦ロー・レベルに戻して、再び該パル
スを印加している間に、アナログ・メモリ読出しパルス
126(φAMR_2C)を印加することによってアナ
ログ・メモリ2Cに記憶されている画素Cの信号を読み
出し、次いで、アナログ・メモリ読出しパルス125
(φAMR_1C)を印加することによって、アナログ
・メモリ1Cに記憶されていた画素Cの基準レベル信号
を演算部32へ読み出す。
When the above processing is completed, the operation pulse 13
8 (φOP) is once returned to the low level, and while the pulse is being applied again, the analog memory read pulse 126 (φAMR_2C) is applied to the pixel C stored in the analog memory 2C. Read the signal and then the analog memory read pulse 125
By applying (φAMR_1C), the reference level signal of the pixel C stored in the analog memory 1C is read out to the arithmetic unit 32.

【0138】そして、両者の信号レベルを比較して、演
算読出しパルス139(φPRD)が印加されている間
に画素Cに対応するデジタル・メモリ41をチップ選択
信号144(φCS_C)によって選択する。例えば、
基準信号の方が読み出した画素信号より小さければ、そ
のときのデジタル・データ入力信号141(DATA_
IN)の値を画素Cに対応するデジタル・メモリ41に
書き込む。
Then, by comparing the signal levels of the two, the digital memory 41 corresponding to the pixel C is selected by the chip select signal 144 (φCS_C) while the operation read pulse 139 (φPRD) is being applied. For example,
If the reference signal is smaller than the read pixel signal, the digital data input signal 141 (DATA_
IN) is written into the digital memory 41 corresponding to the pixel C.

【0139】上述と同様の処理をさらに画素G並びに画
素Yに対して実施することによって、4個の画素におけ
る比較演算処理を独立して行うことができる。このよう
な処理をさらに、垂直信号線を共有しているすべての画
素に対して順次同様に実行することによって、撮像素子
上のすべての画素に対する演算処理を行うことができ
る。
By performing the same processing as described above on the pixels G and Y, the comparison operation on the four pixels can be performed independently. By performing such processing sequentially on all the pixels sharing the vertical signal line in a similar manner, arithmetic processing can be performed on all the pixels on the image sensor.

【0140】さて、上記で説明した動作では、ただ1回
の光電変換された画素信号に対する処理しか行えないの
で、上記の演算動作を繰り返し実施する必要がある。
By the way, in the above-described operation, only the process for the pixel signal which has been photoelectrically converted once can be performed. Therefore, it is necessary to repeat the above-described arithmetic operation.

【0141】光電変換された信号を読み出すときにリセ
ット動作を行うと、先に読み出されていた信号がリセッ
トされてしまう。そこで、2回目以降の処理では、リセ
ットパルスφRST(112)のみ印加せず、他の駆動
パルスは全く同様に与えるようにすればよい。
If a reset operation is performed when reading a photoelectrically converted signal, the previously read signal is reset. Therefore, in the second and subsequent processes, only the reset pulse φRST (112) is not applied, and the other drive pulses may be applied in exactly the same manner.

【0142】このようにすることによって、1度読み出
された光電変換後の信号レベルに、さらに新たに光電変
換された信号が足し合わされ、その値が基準レベル信号
に到達するまで上記の処理を繰り返すことによって、明
るさを時間情報に変化した結果を得ることができる。
In this manner, the signal which has been photoelectrically converted once is added to the signal level once read out after the photoelectric conversion, and the above processing is performed until the value reaches the reference level signal. By repeating, it is possible to obtain a result in which brightness is changed to time information.

【0143】以上、撮像素子上で行う演算機能として2
通りの例を紹介したが、これらはあくまでも本発明に係
る撮像素子の機能の一部に過ぎない。本発明によれば、
外部から供給する駆動パルスのタイミングや組み合わせ
によって、アプリケーションに応じた様々な演算を実行
することが可能である。
As described above, the arithmetic function performed on the image sensor is 2
Although the above examples have been introduced, these are only some of the functions of the image sensor according to the present invention. According to the present invention,
Various calculations can be performed according to the application depending on the timing and combination of driving pulses supplied from the outside.

【0144】本発明に係る撮像素子では、このような多
機能演算を実現するための部分、すなわち、アナログ記
憶エリア20、演算エリア30、デジタル記憶エリア4
0、出力エリア50は、多数の画素11が2次元的に並
んで構成される画素エリア10とは別に設けられている
(図1を参照のこと)。したがって、画素数(解像度)の
低下を招くことなく、演算処理を実現することが可能と
なのである。
In the image pickup device according to the present invention, the parts for realizing such multi-function operation, that is, the analog storage area 20, the operation area 30, and the digital storage area 4
0, the output area 50 is provided separately from the pixel area 10 in which a large number of pixels 11 are arranged two-dimensionally (see FIG. 1). Therefore, it is possible to realize the arithmetic processing without reducing the number of pixels (resolution).

【0145】[追補]以上、特定の実施例を参照しなが
ら、本発明について詳解してきた。しかしながら、本発
明の要旨を逸脱しない範囲で当業者が該実施例の修正や
代用を成し得ることは自明である。すなわち、例示とい
う形態で本発明を開示してきたのであり、限定的に解釈
されるべきではない。本発明の要旨を判断するために
は、冒頭に記載した特許請求の範囲の欄を参酌すべきで
ある。
[Supplement] The present invention has been described in detail with reference to the specific embodiments. However, it is obvious that those skilled in the art can modify or substitute the embodiment without departing from the spirit of the present invention. That is, the present invention has been disclosed by way of example, and should not be construed as limiting. In order to determine the gist of the present invention, the claims described at the beginning should be considered.

【0146】[0146]

【発明の効果】以上詳記したように、本発明によれば、
CMOS(Complementary Metal-Oxide Semiconducto
r:相補性金属酸化膜半導体)などの半導体製造技術を
用いて小型・軽量に構成された、演算機能付きの優れた
撮像素子を提供することができる。
As described above in detail, according to the present invention,
CMOS (Complementary Metal-Oxide Semiconducto)
(r: Complementary metal oxide semiconductor)), it is possible to provide an excellent imaging device with an arithmetic function, which is configured to be small and lightweight by using a semiconductor manufacturing technology such as a semiconductor.

【0147】また、本発明によれば、充分な画素数と小
さな画素サイズとを実現した、演算機能付きの優れた撮
像素子を提供することができる。
Further, according to the present invention, it is possible to provide an excellent image pickup device having an arithmetic function, which realizes a sufficient number of pixels and a small pixel size.

【0148】また、本発明によれば、オンチップ・カラ
ーフィルタによりカラー画像の撮影が可能な演算機能付
きの優れた撮像素子を提供することができる。
Further, according to the present invention, it is possible to provide an excellent image pickup device having an arithmetic function capable of taking a color image by using an on-chip color filter.

【0149】本発明に係る撮像素子は、通常の画像取得
用撮像素子と同等面積の画素からなる光学エリアを有し
ているが、さらに複数の画素に共通の演算処理回路を持
たせることによって、被写体の明るさが暗い場合、若し
くは被写体の明るさを光電変換するサンプリング間隔が
短い場合は、複数の画素の信号を同時に利用することに
よって明るさを補うことで感度の低下を避けることがで
きる。この結果、撮像素子は、ノイズの影響を受けずに
被写体の明るさに基づく演算を正しく実行することが可
能となる。
Although the image pickup device according to the present invention has an optical area composed of pixels having the same area as that of a normal image pickup image pickup device, by further providing a plurality of pixels with a common arithmetic processing circuit, When the brightness of the subject is low, or when the sampling interval for photoelectrically converting the brightness of the subject is short, a decrease in sensitivity can be avoided by simultaneously using the signals of a plurality of pixels to compensate for the brightness. As a result, the imaging device can correctly execute the calculation based on the brightness of the subject without being affected by noise.

【0150】他方、被写体から充分な明るさが得られる
場合には、一つ一つの画素を独立して演算に用いること
によって、解像度の低下を避けることが可能となる。
On the other hand, when sufficient brightness can be obtained from the subject, it is possible to avoid a decrease in resolution by using each pixel independently for calculation.

【0151】本発明に係る撮像素子は、画素数が充分に
多いので、オンチップ・カラーフィルタを採用すること
によって、容易にカラー化が可能である。また、本実施
例に係る撮像素子は、画素サイズが小さいので、オンチ
ップ・レンズによって光の集光度を高めることができ、
感度アップが可能である。
Since the image sensor according to the present invention has a sufficiently large number of pixels, colorization can be easily achieved by employing an on-chip color filter. In addition, since the image sensor according to the present embodiment has a small pixel size, it is possible to increase the light condensing degree by using an on-chip lens,
Sensitivity can be increased.

【0152】また、本発明に係る撮像素子では、演算部
における演算内容を、外部から与える駆動パルスの組み
合わせ及びそのタイミングに応じて自由に変更すること
ができる。したがって、単一の演算機能のみを持つ撮像
素子には不可能であったさまざまな機能を、単一の撮像
素子上で実現することが可能となる。
Further, in the image pickup device according to the present invention, the operation content in the operation section can be freely changed in accordance with the combination of externally applied drive pulses and their timing. Therefore, various functions that cannot be performed by an imaging device having only a single arithmetic function can be realized on a single imaging device.

【0153】[0153]

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】本発明の実施例に係る撮像素子の構成を模式的
に示したブロック図である。
FIG. 1 is a block diagram schematically showing a configuration of an image sensor according to an embodiment of the present invention.

【図2】図1に示した撮像素子構造から、基本動作単位
を抜粋して示した図である。
FIG. 2 is a diagram showing a basic operation unit extracted from the imaging device structure shown in FIG. 1;

【図3】単位画素の構成例を示した図である。FIG. 3 is a diagram illustrating a configuration example of a unit pixel.

【図4】アナログ記憶部の構成例を示した図である。FIG. 4 is a diagram illustrating a configuration example of an analog storage unit;

【図5】画素の基本動作単位における動作タイミング・
チャートである。
FIG. 5 is an operation timing in a basic operation unit of a pixel;
It is a chart.

【図6】単位画素において、アナログ量である明るさを
デジタル量に変換する原理図である。
FIG. 6 is a principle diagram of converting brightness, which is an analog amount, into a digital amount in a unit pixel.

【図7】明るさの基準となる基準レベルに対応する画素
出力信号をアナログ・メモリ22に記憶する動作を示し
たタイミング・チャートである。
7 is a timing chart showing an operation of storing a pixel output signal corresponding to a reference level serving as a reference of brightness in an analog memory 22. FIG.

【図8】図7に示す動作タイミングに従って記憶した基
準レベル信号と光電変換された信号の比較を画素毎に行
い、デジタル・メモリにその結果を格納する一連の動作
を示したタイミング・チャートである。
8 is a timing chart showing a series of operations for comparing a reference level signal stored in accordance with the operation timing shown in FIG. 7 with a photoelectrically converted signal for each pixel and storing the result in a digital memory; .

【符号の説明】[Explanation of symbols]

10…画素エリア 11…画素 12…受光部 13…画素内増幅部 14…読出部 20…アナログ記憶エリア 30…演算エリア 31…画素外記憶部 40…デジタル記憶エリア 41…デジタル・メモリ 50…出力エリア 51…出力部 DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 ... Pixel area 11 ... Pixel 12 ... Light receiving part 13 ... In-pixel amplifying part 14 ... Read-out part 20 ... Analog storage area 30 ... Calculation area 31 ... External storage part 40 ... Digital storage area 41 ... Digital memory 50 ... Output area 51 ... output unit

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 FI テーマコート゛(参考) H04N 1/028 H04N 9/07 C 9/07 H01L 27/14 A D Fターム(参考) 4M118 AA10 AB01 BA14 DD09 FA06 FA40 FA42 GC09 GD04 GD07 5B047 AB04 BB04 BC01 5C024 CX37 CX41 CY14 DX01 EX42 GX03 GY31 HX17 5C051 AA01 BA03 DA06 DB01 DB11 DB16 DB18 DC03 DE12 DE17 DE19 EA01 5C065 AA01 BB22 BB42 BB48 CC01 CC07 CC09 DD15 EE08 EE10 EE20 GG26 ──────────────────────────────────────────────────続 き Continued on the front page (51) Int.Cl. 7 Identification symbol FI Theme coat ゛ (Reference) H04N 1/028 H04N 9/07 C 9/07 H01L 27/14 AD Term (Reference) 4M118 AA10 AB01 BA14 DD09 FA06 FA40 FA42 GC09 GD04 GD07 5B047 AB04 BB04 BC01 5C024 CX37 CX41 CY14 DX01 EX42 GX03 GY31 HX17 5C051 AA01 BA03 DA06 DB01 DB11 DB16 DB18 DC03 DE12 DE17 DE19 EA01 5C065 AA01 BB22 BB42 CC BB22 BB42 CC

Claims (20)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】それぞれ被写体の明るさを電気信号に変え
る受光部と該受光部出力を増幅する画素内増幅部と該画
素内増幅部から画素外へ信号を読み出す読出し部とから
なる複数の画素と、 各画素から読み出された信号を増幅する画素外増幅部
と、 各画素から読み出された信号を記憶する複数の記憶部
と、 1以上の記憶部から読み出された信号を演算する演算部
と、 前記演算部による演算結果を画素毎に記憶するデジタル
・メモリと、 デジタル・メモリ出力を外部に出力する出力部と、 前記各部の駆動を制御する駆動制御部とを具備し、 前記駆動制御部は、前記演算部における演算内容に応じ
て、信号を読み出す画素の数並びに読み出した信号を記
憶する記憶部の数を可変とする駆動制御モードを有する
ことを特徴とする演算機能付き撮像素子。
A plurality of pixels each comprising a light receiving unit for converting the brightness of an object into an electric signal, an in-pixel amplifying unit for amplifying an output of the light receiving unit, and a reading unit for reading a signal from the in-pixel amplifying unit to outside the pixel. An extra-pixel amplifying unit that amplifies a signal read from each pixel; a plurality of storage units that store signals read from each pixel; and a signal read from one or more storage units An operation unit, a digital memory that stores the operation result of the operation unit for each pixel, an output unit that outputs a digital memory output to the outside, and a drive control unit that controls driving of the units. The drive control unit has a drive control mode in which the number of pixels from which signals are read and the number of storage units that store read signals are variable in accordance with the content of the calculation in the calculation unit. element.
【請求項2】前記演算部及び/又は前記画素外増幅部は
複数の画素間で共有されることを特徴とする請求項1に
記載の演算機能付き撮像素子。
2. The imaging device with an arithmetic function according to claim 1, wherein the arithmetic unit and / or the extra-pixel amplifying unit are shared among a plurality of pixels.
【請求項3】前記駆動制御部は、前記演算部に供給する
駆動パルスの組み合わせ及びそのタイミングによって前
記演算部における演算内容を決定することを特徴とする
請求項1に記載の演算機能付き撮像素子。
3. The imaging device with an arithmetic function according to claim 1, wherein the drive control unit determines the content of the arithmetic operation in the arithmetic unit based on a combination of drive pulses supplied to the arithmetic unit and its timing. .
【請求項4】前記駆動制御部は、同じタイミングで検出
した2個以上の画素読み出し信号を1つの記憶部に記憶
させる駆動制御モードを有することを特徴とする請求項
1に記載の演算機能付き撮像素子。
4. The apparatus according to claim 1, wherein the drive control unit has a drive control mode in which two or more pixel readout signals detected at the same timing are stored in one storage unit. Imaging device.
【請求項5】前記駆動制御部は、各タイミングで検出し
た2個以上の画素読み出し信号をそれぞれ同じ記憶部に
記憶させるとともに、各記憶部から読み出された信号に
基づいて該2個以上の画素における画素読み出し信号の
時間軸に沿った比較処理を前記演算部に行わせる駆動制
御モードを有することを特徴とする請求項1に記載の演
算機能付き撮像素子。
5. The drive control section stores two or more pixel read signals detected at each timing in the same storage section, and based on the signals read from each storage section, stores the two or more pixel read signals. 2. The imaging device with an arithmetic function according to claim 1, further comprising a drive control mode that causes the arithmetic unit to perform a comparison process along a time axis of a pixel read signal from the pixel. 3.
【請求項6】前記駆動制御部は、 各タイミングで検出した各画素の読み出し信号をそれぞ
れ別の記憶部に記憶させるとともに、各記憶部から読み
出された信号に基づいて同じ画素におる画素読み出し信
号の時間軸に沿った比較処理を前記演算部に行わせる第
1の駆動制御モードと、 各タイミングで検出した2個以上の画素読み出し信号を
それぞれ同じ記憶部に記憶させるとともに、各記憶部か
ら読み出された信号に基づいて該2個以上の画素におけ
る画素読み出し信号の時間軸に沿った比較処理を前記演
算部に行わせる第2の駆動制御モードと、を有すること
を特徴とする請求項1に記載の演算機能付き撮像素子。
6. The drive control section stores a read signal of each pixel detected at each timing in a separate storage section, and reads a pixel in the same pixel based on a signal read from each storage section. A first drive control mode for causing the arithmetic unit to perform a comparison process along the time axis of signals, and storing two or more pixel readout signals detected at each timing in the same storage unit, and A second drive control mode for causing the arithmetic unit to perform a comparison process along a time axis of pixel readout signals of the two or more pixels based on the readout signals. 2. The imaging device with an arithmetic function according to 1.
【請求項7】前記駆動制御部は、ある画素の基準信号レ
ベルに相当する画素読み出し信号を1つの記憶部に記憶
させるとともに、該画素の被写体の明るさに相当する画
素読み出し信号を他の記憶部に記憶させ、各記憶部から
読み出された画素読み出し信号に基づいて基準信号レベ
ルと被写体の明るさを前記演算部において比較処理せし
めて基準信号レベルに対する被写体の明るさを出力する
駆動制御モードを有することを特徴とする請求項1に記
載の演算機能付き撮像素子。
7. The drive control section stores a pixel readout signal corresponding to a reference signal level of a certain pixel in one storage section, and stores a pixel readout signal corresponding to the brightness of a subject of the pixel in another storage section. A drive control mode in which the arithmetic unit compares the reference signal level with the brightness of the subject based on the pixel read signal read from each storage unit and outputs the brightness of the subject with respect to the reference signal level. The imaging device with an arithmetic function according to claim 1, comprising:
【請求項8】各画素には各色のオンチップ・カラーフィ
ルタが搭載され、 前記駆動制御部は、ある画素の基準信号レベルに相当す
る画素読み出し信号を1つの記憶部に記憶させるととも
に、該画素の被写体の明るさに相当する画素読み出し信
号を他の記憶部に記憶させ、各記憶部から読み出された
画素読み出し信号に基づいて基準信号レベルと被写体の
明るさを前記演算部において比較処理せしめて該画素に
おける色信号を出力する駆動制御モードを有することを
特徴とする請求項1に記載の演算機能付き撮像素子。
8. Each pixel is provided with an on-chip color filter of each color, and the drive control section stores a pixel read signal corresponding to a reference signal level of a certain pixel in one storage section, The pixel readout signal corresponding to the brightness of the subject is stored in another storage unit, and the reference signal level and the brightness of the subject are compared in the arithmetic unit based on the pixel readout signal read out from each storage unit. The imaging device with an arithmetic function according to claim 1, further comprising a drive control mode for outputting a color signal at the pixel.
【請求項9】各画素にはオンチップ・レンズが搭載さ
れ、 前記駆動制御部は、ある画素の基準信号レベルに相当す
る画素読み出し信号を1つの記憶部に記憶させるととも
に、該画素の被写体の明るさに相当する画素読み出し信
号を他の記憶部に記憶させ、各記憶部から読み出された
画素読み出し信号に基づいて基準信号レベルと被写体の
明るさを前記演算部において比較処理せしめて基準信号
レベルに対する被写体の明るさを出力する駆動制御モー
ドを有することを特徴とする請求項1に記載の演算機能
付き撮像素子。
9. An on-chip lens is mounted on each pixel, and the drive control section stores a pixel read signal corresponding to a reference signal level of a certain pixel in one storage section, The pixel readout signal corresponding to the brightness is stored in another storage unit, and the reference signal level and the brightness of the subject are compared in the arithmetic unit based on the pixel readout signal read out from each storage unit. The imaging device with an arithmetic function according to claim 1, further comprising a drive control mode for outputting the brightness of the subject with respect to the level.
【請求項10】それぞれ被写体の明るさを電気信号に変
える受光部と該受光部出力を増幅する画素内増幅部と該
画素内増幅部から画素外へ信号を読み出す読出し部とか
らなる複数の画素が配列された画素エリアと、 各画素毎に2以上の記憶部が配置されたアナログ記憶エ
リアと、 各画素から読み出された信号を増幅する画素外増幅部並
びに1以上の記憶部から読み出された信号を演算する演
算部が配置された演算エリアと、 前記演算部による演算結果を画素毎に記憶する複数のデ
ジタル・メモリが配設されたデジタル記憶エリアと、 デジタル・メモリ出力を外部に出力する複数の出力部が
配設された出力エリアと、を具備することを特徴とする
演算機能付き撮像素子。
10. A plurality of pixels each comprising a light receiving unit for converting the brightness of a subject into an electric signal, an in-pixel amplifying unit for amplifying the output of the light receiving unit, and a reading unit for reading a signal from the in-pixel amplifying unit to outside the pixel , An analog storage area in which two or more storage units are arranged for each pixel, an extra-pixel amplification unit that amplifies a signal read from each pixel, and a readout from one or more storage units. An operation area in which an operation unit for operating the calculated signal is arranged; a digital storage area in which a plurality of digital memories for storing the operation results of the operation unit for each pixel are provided; An image pickup device with an arithmetic function, comprising: an output area in which a plurality of output units for outputting are arranged.
【請求項11】前記画素エリアでは、所定数の隣接画素
が基本動作単位として駆動することを特徴とする請求項
10に記載の演算機能付き撮像素子。
11. The imaging device with an arithmetic function according to claim 10, wherein a predetermined number of adjacent pixels are driven as a basic operation unit in said pixel area.
【請求項12】前記演算部及び/又は前記画素外増幅部
は複数の画素間で共有されることを特徴とする請求項1
0に記載の演算機能付き撮像素子。
12. The apparatus according to claim 1, wherein the arithmetic unit and / or the extra-pixel amplifying unit are shared by a plurality of pixels.
0. The imaging device with an arithmetic function according to 0.
【請求項13】さらに、前記演算部に供給する駆動パル
スの組み合わせ及びそのタイミングによって前記演算部
における演算内容を決定する駆動制御部を備えることを
特徴とする請求項10に記載の演算機能付き撮像素子。
13. The imaging device with an arithmetic function according to claim 10, further comprising a drive control unit that determines the content of operation in said arithmetic unit based on a combination of drive pulses supplied to said arithmetic unit and its timing. element.
【請求項14】前記駆動制御部は、前記演算部における
演算内容に応じて、信号を読み出す画素の数並びに読み
出した信号を記憶する記憶部の数を可変とする駆動制御
モードを有することを特徴とする請求項13に記載の演
算機能付き撮像素子。
14. The drive control unit has a drive control mode in which the number of pixels from which a signal is read out and the number of storage units for storing the read out signal are made variable in accordance with the operation content of the operation unit. The imaging device with an arithmetic function according to claim 13.
【請求項15】前記駆動制御部は、同じタイミングで検
出した2個以上の画素読み出し信号を1つの記憶部に記
憶させる駆動制御モードを有することを特徴とする請求
項13に記載の演算機能付き撮像素子。
15. The arithmetic function according to claim 13, wherein the drive control unit has a drive control mode for storing two or more pixel readout signals detected at the same timing in one storage unit. Imaging device.
【請求項16】前記駆動制御部は、各タイミングで検出
した2個以上の画素読み出し信号をそれぞれ同じ記憶部
に記憶させるとともに、各記憶部から読み出された信号
に基づいて該2個以上の画素における画素読み出し信号
の時間軸に沿った比較処理を前記演算部に行わせる駆動
制御モードを有することを特徴とする請求項13に記載
の演算機能付き撮像素子。
16. The drive control unit stores two or more pixel read signals detected at each timing in the same storage unit, and based on the signals read from each storage unit, stores the two or more pixel read signals. The imaging device with an arithmetic function according to claim 13, further comprising a drive control mode for causing the arithmetic unit to perform a comparison process along a time axis of a pixel read signal from the pixel.
【請求項17】前記駆動制御部は、 各タイミングで検出した各画素の読み出し信号をそれぞ
れ別の記憶部に記憶させるとともに、各記憶部から読み
出された信号に基づいて同じ画素におる画素読み出し信
号の時間軸に沿った比較処理を前記演算部に行わせる第
1の駆動制御モードと、 各タイミングで検出した2個以上の画素読み出し信号を
それぞれ同じ記憶部に記憶させるとともに、各記憶部か
ら読み出された信号に基づいて該2個以上の画素におけ
る画素読み出し信号の時間軸に沿った比較処理を前記演
算部に行わせる第2の駆動制御モードと、を有すること
を特徴とする請求項13に記載の演算機能付き撮像素
子。
17. The drive control section stores a read signal of each pixel detected at each timing in a separate storage section, and reads a pixel in the same pixel based on a signal read from each storage section. A first drive control mode for causing the arithmetic unit to perform a comparison process along the time axis of signals, and storing two or more pixel readout signals detected at each timing in the same storage unit, and A second drive control mode for causing the arithmetic unit to perform a comparison process along a time axis of pixel readout signals of the two or more pixels based on the readout signals. An imaging device with an arithmetic function according to claim 13.
【請求項18】前記駆動制御部は、ある画素の基準信号
レベルに相当する画素読み出し信号を1つの記憶部に記
憶させるとともに、該画素の被写体の明るさに相当する
画素読み出し信号を他の記憶部に記憶させ、各記憶部か
ら読み出された画素読み出し信号に基づいて基準信号レ
ベルと被写体の明るさを前記演算部において比較処理せ
しめて基準信号レベルに対する被写体の明るさを出力す
る駆動制御モードを有することを特徴とする請求項13
に記載の演算機能付き撮像素子。
18. The drive control section stores a pixel readout signal corresponding to a reference signal level of a certain pixel in one storage section and stores a pixel readout signal corresponding to the brightness of a subject of the pixel in another storage section. A drive control mode in which the arithmetic unit compares the reference signal level with the brightness of the subject based on the pixel read signal read from each storage unit and outputs the brightness of the subject with respect to the reference signal level. 14. The method according to claim 13, wherein
An imaging device with an arithmetic function according to item 1.
【請求項19】各画素には各色のオンチップ・カラーフ
ィルタが搭載され、 前記駆動制御部は、ある画素の基準信号レベルに相当す
る画素読み出し信号を1つの記憶部に記憶させるととも
に、該画素の被写体の明るさに相当する画素読み出し信
号を他の記憶部に記憶させ、各記憶部から読み出された
画素読み出し信号に基づいて基準信号レベルと被写体の
明るさを前記演算部において比較処理せしめて該画素に
おける色信号を出力する駆動制御モードを有することを
特徴とする請求項13に記載の演算機能付き撮像素子。
19. An on-chip color filter for each color is mounted on each pixel, and the drive control section stores a pixel read signal corresponding to a reference signal level of a certain pixel in one storage section, The pixel readout signal corresponding to the brightness of the subject is stored in another storage unit, and the reference signal level and the brightness of the subject are compared in the arithmetic unit based on the pixel readout signal read out from each storage unit. The imaging device with an arithmetic function according to claim 13, further comprising a drive control mode for outputting a color signal at the pixel.
【請求項20】各画素には各色のオンチップ・レンズが
搭載され、 前記駆動制御部は、ある画素の基準信号レベルに相当す
る画素読み出し信号を1つの記憶部に記憶させるととも
に、該画素の被写体の明るさに相当する画素読み出し信
号を他の記憶部に記憶させ、各記憶部から読み出された
画素読み出し信号に基づいて基準信号レベルと被写体の
明るさを前記演算部において比較処理せしめて基準信号
レベルに対する被写体の明るさを出力する駆動制御モー
ドを有することを特徴とする請求項13に記載の演算機
能付き撮像素子。
20. Each pixel is provided with an on-chip lens of each color, and the drive control unit stores a pixel read signal corresponding to a reference signal level of a certain pixel in one storage unit, and The pixel readout signal corresponding to the brightness of the subject is stored in another storage unit, and the reference signal level and the brightness of the subject are compared in the arithmetic unit based on the pixel readout signal read out from each storage unit. The imaging device with an arithmetic function according to claim 13, further comprising a drive control mode for outputting the brightness of the subject with respect to the reference signal level.
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