JP2006148328A - Solid-state imaging apparatus - Google Patents

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繁孝 春日
Takahiko Murata
隆彦 村田
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琢己 山口
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a solid-state imaging apparatus capable of obtaining a consecutive output characteristic up to a high luminous quantity region and attaining a considerably wide dynamic range. <P>SOLUTION: The solid-state imaging apparatus 1 is provided, wherein a plurality of pixel units 10 are two-dimensionally arranged, each pixel unit 10 including a photoelectric conversion element PD for converting incident light into electric charges, a floating diffusion FD, and a MOS transistor Q11 for transferring the electric charges stored in the photoelectric conversion element PD to the floating diffusion FD. The solid-state imaging apparatus 1 is also provided with a pulse generating circuit 50a for controlling the MOS transistor Q11 so as to transfer the electric charge stored in the photoelectric conversion element PD to the floating diffusion FD. The pulse generating circuit 50a controls a first transfer wherein excess electric charges produced in excess of a fixed amount less than the saturation electric charge amount of the photoelectric conversion element PD are transferred, and a second transfer wherein the electric charges stored in the photoelectric conversion element PD after the first transfer are transferred in one frame period. <P>COPYRIGHT: (C)2006,JPO&NCIPI

Description

本発明は、デジタルカメラ等に使用されるMOS型の固体撮像装置に関し、特にダイナミックレンジを広げる技術に関する。   The present invention relates to a MOS type solid-state imaging device used for a digital camera or the like, and more particularly to a technique for expanding a dynamic range.

近年、画像のカラー化の進展に伴い、MOS型の固体撮像装置は、デジタルスチルカメラ用や、カメラ付き携帯電話用などにおいて成長が著しく、固体撮像装置に対する小型化、高画素化への要求も日増しに増大してきている。しかし、このような固体撮像装置に対する要求は、受光センサ部である光電変換素子の受光面積を縮小させる結果、固体撮像装置の主要特性である光電変換特性(光感度、ダイナミックレンジ)を低下させる一因となりつつある。   In recent years, with the progress of colorization of images, MOS type solid-state imaging devices have been growing significantly for digital still cameras and camera-equipped mobile phones, and there is a demand for downsizing and higher pixels for solid-state imaging devices. It is increasing day by day. However, such a demand for a solid-state imaging device is one that reduces the light-receiving area of a photoelectric conversion element that is a light-receiving sensor unit, and as a result, lowers the photoelectric conversion characteristics (photosensitivity and dynamic range) that are main characteristics of the solid-state imaging device. It is becoming a cause.

例えば、デジタルスチルカメラに搭載される固体撮像装置の光学サイズの主流は1/3インチ型から1/4インチ型が主流となり、さらに1/6インチ型以降の検討もなされている。また、画素数も200万画素から500万画素の範囲まで広がりつつあり、さらに500万画素以上の検討もなされている。こうした受光面積の縮小化、および高画素化においても、固体撮像装置の主要特性である、光感度や、ダイナミックレンジなどの特性を低下させることのない技術の確立が必要となってきている。   For example, the mainstream of the optical size of a solid-state imaging device mounted on a digital still camera is a 1/3 inch type to a 1/4 inch type, and further studies on the 1/6 inch type and later are being made. In addition, the number of pixels is expanding from a range of 2 million pixels to 5 million pixels, and more than 5 million pixels are being studied. Even in such a reduction in the light receiving area and an increase in the number of pixels, it is necessary to establish a technique that does not deteriorate characteristics such as light sensitivity and dynamic range, which are main characteristics of the solid-state imaging device.

つまり、画素サイズを縮小せずに画素数のみを増加させればチップサイズの増大を招き、固体撮像装置を大きくしてしまうため、画素サイズの縮小も平行して実施しなければならない。一般に、画素サイズを縮小すればフォトダイオードに代表される光電変換素子も縮小され、その結果、光感度の低下や、大光量受光時における飽和によるダイナミックレンジの低下は逃れられない。   That is, if only the number of pixels is increased without reducing the pixel size, the chip size is increased and the solid-state imaging device is enlarged. Therefore, the pixel size must also be reduced in parallel. In general, if the pixel size is reduced, the photoelectric conversion element typified by a photodiode is also reduced. As a result, a decrease in photosensitivity and a decrease in dynamic range due to saturation when receiving a large amount of light cannot be avoided.

このため、広ダイナミックレンジ化の要望が高くなりつつあり、広ダイナミック化を達成するための従来の固体撮像装置として、特開2003−2183438号に記載されたものが知られている。この従来の固体撮像装置の一般的な画素部の平面図を図10に示す。   For this reason, there is an increasing demand for wide dynamic range, and as a conventional solid-state imaging device for achieving wide dynamic range, what is described in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2003-2183438 is known. FIG. 10 shows a plan view of a general pixel portion of this conventional solid-state imaging device.

図10に示されるように、従来の固体撮像装置200は、1画素内に設けられた相対的に広い面積を有する主感光部201と、相対的に狭い面積を有する従感光部202と、電荷転送路203と、4層駆動するためのポリシリコン電極204,205,206,207とを備える。   As shown in FIG. 10, a conventional solid-state imaging device 200 includes a main photosensitive portion 201 having a relatively large area, a secondary photosensitive portion 202 having a relatively small area, and a charge. A transfer path 203 and polysilicon electrodes 204, 205, 206, and 207 for driving four layers are provided.

図11は、図10の主感光部201と従感光部202の光量と出力との関係を示す図である。図中、α1は主感光部201の光量と出力の関係を示し、光量Aで飽和となり、それ以上光量が多い領域でも出力は増大しない。図中α2は従感光部202の光量と出力の関係を示し、感度は主感光部より低いため光量Aの時点でも飽和せず、光量A時点より光量が多い領域でも出力が直線的に増大している。実際の使用では主感光部201と従感光部202の出力の両方を用いるため、その出力は図中α0に示すような特性となる。
特開2003−218343号公報
FIG. 11 is a diagram showing the relationship between the light amount and the output of the main photosensitive portion 201 and the secondary photosensitive portion 202 in FIG. In the figure, α1 indicates the relationship between the light amount of the main photosensitive portion 201 and the output. The light amount A is saturated, and the output does not increase even in a region where the light amount is larger than that. In the figure, α2 indicates the relationship between the light amount of the secondary photosensitive portion 202 and the output. Since the sensitivity is lower than that of the main photosensitive portion, it does not saturate at the time of the light amount A, and the output increases linearly even in the region where the light amount is higher than the time point of the light amount A. ing. In actual use, since both the outputs of the main photosensitive portion 201 and the secondary photosensitive portion 202 are used, the output has characteristics as indicated by α0 in the figure.
JP 2003-218343 A

しかしながら、従来の固体撮像装置は、図10の主感光部201と従感光部202の合成出力212は光量A時点で不連続な特性を示すと共に、わずかな広ダイナミック化を達成しているに過ぎない。このため、フレーム画像のハイライト領域における再現性が低くなる。   However, in the conventional solid-state imaging device, the combined output 212 of the main photosensitive portion 201 and the secondary photosensitive portion 202 in FIG. 10 exhibits discontinuous characteristics at the time of the light amount A and has achieved only a slight wide dynamic. Absent. For this reason, the reproducibility in the highlight area of the frame image is lowered.

そこで、本発明は、高光量領域まで不連続のない出力特性が得られると共に、大幅な広ダイナミック化を達成する固体撮像装置を提供することを目的とする。   SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide a solid-state imaging device capable of obtaining output characteristics without discontinuity up to a high light quantity region and achieving a great wide dynamic range.

上記課題を解決するために、本発明に係る固体撮像装置においては、入射光を電荷に変換する光電変換手段と、フローティングディフュージョンと、前記光電変換手段に蓄積された電荷を前記フローティングディフュージョンに転送する転送手段とをそれぞれ有する複数の画素部が、2次元に配置された固体撮像装置であって、前記光電変換手段が蓄積する電荷を前記フローティングディフュージョンに転送するように前記転送手段を制御する転送制御手段を備え、前記転送制御手段は、1フレーム期間において、前記光電変換手段の飽和電荷量より少ない一定量を超えて発生する過剰電荷を転送する第1の転送と、第1の転送の後に光電変換手段に蓄積された電荷を転送する第2の転送とを制御することを特徴とする。   In order to solve the above problems, in the solid-state imaging device according to the present invention, photoelectric conversion means for converting incident light into electric charge, floating diffusion, and electric charge accumulated in the photoelectric conversion means are transferred to the floating diffusion. A plurality of pixel units each having a transfer means, and a two-dimensionally arranged solid-state imaging device, wherein the transfer means controls the transfer means so as to transfer charges accumulated in the photoelectric conversion means to the floating diffusion The transfer control means includes a first transfer for transferring an excess charge generated exceeding a certain amount smaller than a saturation charge amount of the photoelectric conversion means in one frame period, and a photoelectric transfer after the first transfer. The second transfer for transferring the charge accumulated in the conversion means is controlled.

これにより、光電変換手段を飽和させることなく、過剰電荷をフローティングディフュージョンに予め転送されるので、高光量領域まで不連続のない出力特性が得られると共に、大幅な広ダイナミック化を達成することが可能となる。   As a result, excess charge is transferred to the floating diffusion in advance without saturating the photoelectric conversion means, so that output characteristics without discontinuity can be obtained up to a high light quantity region, and a large dynamic range can be achieved. It becomes.

また、本発明に係る固体撮像装置においては、前記転送制御手段は、前記第1の転送では電荷蓄積の時間間隔を徐々に短く変調する不完全転送を複数回行うように制御し、前記第2の転送では光電変換手段に残存する蓄積電荷を完全に転送する完全転送を1回行うように制御することを特徴とすることができる。   In the solid-state imaging device according to the present invention, the transfer control unit controls the second transfer to perform incomplete transfer in which the charge accumulation time interval is gradually shortened a plurality of times in the first transfer. In this transfer, it is possible to control so that the complete transfer for completely transferring the accumulated charge remaining in the photoelectric conversion means is performed once.

これにより、大光量が入射した場合でもその光量に応じてダイナミックレンジの広い光応答を得ることができる。   Thereby, even when a large amount of light is incident, an optical response with a wide dynamic range can be obtained according to the amount of light.

また、本発明に係る固体撮像装置においては、前記転送制御手段は、前記第1の転送による過剰電荷と前記第2の転送による電荷とがフローティングディフュージョンにおいて加算されるように前記転送手段を制御することを特徴としてもよい。   In the solid-state imaging device according to the present invention, the transfer control unit controls the transfer unit so that the excess charge due to the first transfer and the charge due to the second transfer are added in the floating diffusion. This may be a feature.

これにより、前記蓄積領域に複数回の不完全転送と完全転送による電荷を加算することにより、大光量が入射した場合でも、ダイナミックレンジの広い光応答が得られる。   Thus, by adding charges due to incomplete transfer and complete transfer a plurality of times to the storage region, a light response with a wide dynamic range can be obtained even when a large amount of light is incident.

また、本発明に係る固体撮像装置においては、前記固体撮像装置は、さらに前記各画素の列毎に設けられる列方向共通信号線を備え、前記画素部は、さらに前記フローティングディフュージョンに蓄積されている電荷をリセットするリセット手段と、前記フローティングディフュージョンに蓄積されている電荷に応じた信号を当該画素部が属する列方向共通信号線に出力する信号出力手段とを備え、前記転送制御手段は、前記第1の転送による過剰電荷と前記第2の転送による電荷とがフローティングディフュージョンにおいて個別に蓄積され、前記過剰電荷に対応する第1の信号と前記第2の転送による電荷に対応する第2の信号とが個別に列方向共通信号線に出力されるように前記転送手段、前記リセット手段および画素信号出力手段を制御することを特徴とすることもできる。   In the solid-state imaging device according to the present invention, the solid-state imaging device further includes a column-direction common signal line provided for each column of the pixels, and the pixel unit is further accumulated in the floating diffusion. Reset means for resetting charge, and signal output means for outputting a signal corresponding to the charge accumulated in the floating diffusion to the column-direction common signal line to which the pixel portion belongs, and the transfer control means includes the first The excess charge due to the first transfer and the charge due to the second transfer are individually accumulated in the floating diffusion, and a first signal corresponding to the excess charge and a second signal corresponding to the charge due to the second transfer Are individually output to the common signal line in the column direction, the transfer means, the reset means and the pixel signal output means. Gosuru It may also be characterized.

これにより、列方向共通信号線に個別に出力された第1の信号と第2の信号とを、後で加算することにより、大光量が入射した場合でも、ダイナミックレンジの広い光応答を得ることができる。   Thus, by adding the first signal and the second signal individually output to the common signal line in the column later, an optical response having a wide dynamic range can be obtained even when a large amount of light is incident. Can do.

また、本発明に係る固体撮像装置においては、前記固体撮像装置は、さらに前記第1の信号と第2の信号とを前記列方向共通信号線を介して個別に入力し、フレーム画像にまとめる信号処理手段を備え、前記信号処理手段は、前記第2の信号の値に応じて前記第1の信号と前記第2の信号とを加算することを特徴とすることもできる。   Moreover, in the solid-state imaging device according to the present invention, the solid-state imaging device further inputs the first signal and the second signal individually through the column-direction common signal line, and combines the signals into a frame image. Processing means may be provided, and the signal processing means may add the first signal and the second signal in accordance with a value of the second signal.

これにより、第1の信号と第2の信号を個別に検出することができ、第2の信号の値に応じて、後段の信号処理回路で加算することによって、ダイナミックレンジの広い光応答が得られる。   As a result, the first signal and the second signal can be detected individually, and an optical response with a wide dynamic range is obtained by adding them in the signal processing circuit in the subsequent stage according to the value of the second signal. It is done.

また、本発明に係る固体撮像装置においては、前記固体撮像装置は、さらに前記列方向共通信号線を介する第1の信号を蓄積する第1信号蓄積手段と、前記列方向共通信号線を介する第2の信号を蓄積する第2信号蓄積手段と、前記第2信号蓄積手段に蓄積された第2の信号の電圧と予め定められたリファレンス電圧とを比較し、第2の信号の電圧がリファレンス電圧よりも高い場合には、第1の信号と第2の信号とを加算して出力し、第2の信号の電圧がリファレンス電圧よりも低い場合には、第2の信号だけを出力する加算制御手段とを備えることを特徴とすることもできる。   In the solid-state imaging device according to the present invention, the solid-state imaging device further includes first signal storage means for storing a first signal via the column-direction common signal line, and a first signal via the column-direction common signal line. The second signal storage means for storing the second signal, the voltage of the second signal stored in the second signal storage means is compared with a predetermined reference voltage, and the voltage of the second signal is the reference voltage. Is higher, the first signal and the second signal are added and output, and when the voltage of the second signal is lower than the reference voltage, only the second signal is output. And a means.

これにより、暗電流の少ない広ダイナミックレンジ化を実現することができる。
また、本発明に係る固体撮像装置においては、前記転送手段は、エンハンス型のMOSトランジスタで構成され、前記転送手段の閾値は、個体撮像装置を構成する他のエンハンス型のMOSトランジスタの閾値よりも低く設定されることを特徴としてもよい。
As a result, a wide dynamic range with less dark current can be realized.
Further, in the solid-state imaging device according to the present invention, the transfer unit is configured by an enhancement type MOS transistor, and the threshold value of the transfer unit is higher than the threshold values of other enhancement type MOS transistors configuring the individual imaging device. It may be characterized by being set low.

これにより、完全転送および不完全転送の制御を容易にできる。
また、本発明に係る固体撮像装置においては、回路を構成する部品が全てNMOSトランジスタで構成され、回路を構成する容量部品もデプレッション型のNMOS容量で構成されることを特徴とすることもできる。
This makes it easy to control complete transfer and incomplete transfer.
Further, in the solid-state imaging device according to the present invention, all the parts constituting the circuit may be constituted by NMOS transistors, and the capacitive part constituting the circuit may also be constituted by a depletion type NMOS capacitor.

これにより、個体撮像装置を容易に製造することができる。
なお、請求項1〜8のいずれか1項記載の固体撮像装置を備えることを特徴とするカメラとして構成してもよい。
Thereby, an individual imaging device can be manufactured easily.
In addition, you may comprise as a camera provided with the solid-state imaging device of any one of Claims 1-8.

以上の説明から明らかなように、本発明に係る固体撮像装置によれば、大光量が入射する場合でも、高光量領域まで不連続のない出力特性が得られると共に、大幅な広ダイナミック化を達成することができる。   As is clear from the above description, according to the solid-state imaging device according to the present invention, even when a large amount of light is incident, output characteristics without discontinuity can be obtained up to a high light amount region, and a large wide dynamic can be achieved. can do.

以下、本発明の実施の形態について、図面を用いて詳細に説明する。
(実施の形態1)
図1は、本発明の実施の形態1に係る固体撮像装置の構成を示す回路図である。なお、行方向、列方向に光電変換部が複数配置されているが、図1ではその1つだけが示されている。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
(Embodiment 1)
FIG. 1 is a circuit diagram showing a configuration of the solid-state imaging device according to Embodiment 1 of the present invention. A plurality of photoelectric conversion units are arranged in the row direction and the column direction, but only one of them is shown in FIG.

図1に示されるように、固体撮像装置1は、画素部10と、MOSトランジスタQ21と、雑音信号除去部30と、MOSトランジスタQ41と、パルス発生回路50aと、信号処理部60と、電源線L10と、リセットパルス印加信号線L11と、転送パルス印加信号線L12と、行選択パルス印加信号線L13と、列方向共通信号線L14と、サンプルホールドパルス印加信号線L15と、容量部初期化パルス印加信号線L16と、容量部初期化バイアス印加線L17と、水平選択パルス印加信号線L18と、水平出力信号線L19等とから構成される。   As shown in FIG. 1, the solid-state imaging device 1 includes a pixel unit 10, a MOS transistor Q21, a noise signal removal unit 30, a MOS transistor Q41, a pulse generation circuit 50a, a signal processing unit 60, a power supply line. L10, reset pulse application signal line L11, transfer pulse application signal line L12, row selection pulse application signal line L13, column direction common signal line L14, sample hold pulse application signal line L15, and capacitor unit initialization pulse The application signal line L16, a capacitor unit initialization bias application line L17, a horizontal selection pulse application signal line L18, a horizontal output signal line L19, and the like are included.

画素部10は、光電変換素子PDと、電荷を蓄積する蓄積領域としてのフローティングディフュージョンFDと、電荷を転送する転送手段としてのMOSトランジスタQ11と、MOSトランジスタQ12と、MOSトランジスタQ13と、MOSトランジスタQ14とから構成される。   The pixel unit 10 includes a photoelectric conversion element PD, a floating diffusion FD as a storage region for storing charges, a MOS transistor Q11 as transfer means for transferring charges, a MOS transistor Q12, a MOS transistor Q13, and a MOS transistor Q14. It consists of.

雑音信号除去部30は、MOSトランジスタQ31と、サンプリング容量C31と、クランプ容量C32とから構成される。   The noise signal removal unit 30 includes a MOS transistor Q31, a sampling capacitor C31, and a clamp capacitor C32.

なお、MOSトランジスタQ11はエンハンス型のMOSトランジスタで構成され、MOSトランジスタQ11の閾値は、固体撮像装置1を構成する他のエンハンス型のMOSトランジスタの閾値よりも低く設定され、これにより、完全転送および不完全転送の制御を容易にできるように構成されている。   The MOS transistor Q11 is composed of an enhancement type MOS transistor, and the threshold value of the MOS transistor Q11 is set lower than the threshold values of the other enhancement type MOS transistors constituting the solid-state imaging device 1, whereby complete transfer and It is configured so that incomplete transfer can be easily controlled.

また、固体撮像装置1の回路を構成する部品が全てNMOSトランジスタで構成され、回路を構成する容量部品(サンプリング容量C31およびクランプ容量C32)もデプレッション型のNMOS容量で構成される。これにより、個体撮像装置1を容易に製造することができる。   Further, all the parts constituting the circuit of the solid-state imaging device 1 are constituted by NMOS transistors, and the capacitive parts (sampling capacity C31 and clamp capacity C32) constituting the circuit are also constituted by a depletion type NMOS capacity. Thereby, the individual imaging device 1 can be easily manufactured.

画素部10の光電変換素子PDのアノードは、接地され、光電変換素子PDのカソードはMOSトランジスタQ11のドレインに接続される。   The anode of the photoelectric conversion element PD of the pixel unit 10 is grounded, and the cathode of the photoelectric conversion element PD is connected to the drain of the MOS transistor Q11.

MOSトランジスタQ11のゲートは転送パルス印加信号線L12に接続され、そのソースはMOSトランジスタQ12のソースおよびMOSトランジスタQ13のゲートに接続される。これらMOSトランジスタQ11のソースと、MOSトランジスタQ12のソースと、MOSトランジスタQ13のゲートとが共通に接続される領域が、フローティングディフュージョンFDである。   MOS transistor Q11 has its gate connected to transfer pulse application signal line L12, and its source connected to the source of MOS transistor Q12 and the gate of MOS transistor Q13. A region where the source of the MOS transistor Q11, the source of the MOS transistor Q12, and the gate of the MOS transistor Q13 are connected in common is the floating diffusion FD.

MOSトランジスタQ12のドレインは電源線L10に接続され、そのゲートはリセットパルス印加信号線L11に接続される。MOSトランジスタQ13のドレインは電源線L10に接続され、そのソースはMOSトランジスタQ14のドレインに接続される。MOSトランジスタQ14のソースは列方向共通信号線L14に接続され、そのゲートは行選択信号線15に接続される。   The drain of the MOS transistor Q12 is connected to the power supply line L10, and the gate thereof is connected to the reset pulse application signal line L11. The drain of MOS transistor Q13 is connected to power supply line L10, and its source is connected to the drain of MOS transistor Q14. The source of the MOS transistor Q14 is connected to the column direction common signal line L14, and the gate thereof is connected to the row selection signal line 15.

MOSトランジスタQ21は、列方向共通信号線L14と雑音信号除去部30とを接続したり、切り離したりするためのスイッチとして機能し、そのドレインは列方向共通信号線L14に接続され、そのゲートはサンプルホールドパルス印加信号線L15に接続され、そのソースは雑音信号除去部30のサンプリング容量C31の一方の電極に接続される。   The MOS transistor Q21 functions as a switch for connecting or disconnecting the column-direction common signal line L14 and the noise signal removal unit 30, its drain is connected to the column-direction common signal line L14, and its gate is a sample. The hold pulse application signal line L15 is connected, and its source is connected to one electrode of the sampling capacitor C31 of the noise signal removal unit 30.

雑音信号除去部30のMOSトランジスタQ31のドレインは容量部初期化バイアス印加線L17に接続され、そのゲートは容量部初期化パルス印加信号線L16に接続され、そのソースはサンプリング容量C31の他方の電極、クランプ容量C32の一方の電極およびMOSトランジスタQ41のドレインにそれぞれ接続される。   The drain of the MOS transistor Q31 of the noise signal removing unit 30 is connected to the capacitor unit initialization bias application line L17, its gate is connected to the capacitor unit initialization pulse application signal line L16, and its source is the other electrode of the sampling capacitor C31. Are connected to one electrode of the clamp capacitor C32 and the drain of the MOS transistor Q41.

MOSトランジスタQ41のソースは水平出力信号線L19に、そのゲートは水平選択パルス印加信号線L18に接続される。   The source of the MOS transistor Q41 is connected to the horizontal output signal line L19, and the gate thereof is connected to the horizontal selection pulse applying signal line L18.

パルス発生回路50aは、1フレームの画像を取得するための種々のパルス信号を所定のタイミングで生成し、生成したパルス信号を各信号線L11〜L13,L15〜L18を介して各MOSトランジスタQ11,Q12,Q14,Q21,Q31,Q41のゲートに印加する。   The pulse generation circuit 50a generates various pulse signals for acquiring an image of one frame at a predetermined timing, and generates the generated pulse signals via the signal lines L11 to L13 and L15 to L18, to the MOS transistors Q11, Applied to the gates of Q12, Q14, Q21, Q31, and Q41.

より詳しくは、パルス発生回路50aは、リセットパルス印加信号線L11を介して画素部10のMOSトランジスタQ12のゲートにリセットパルスRSを印加し、MOSトランジスタQ11のゲートに転送パルスTRANを印加し、MOSトランジスタQ14のゲートに行選択パルスSELECTを印加する。   More specifically, the pulse generation circuit 50a applies the reset pulse RS to the gate of the MOS transistor Q12 of the pixel unit 10 via the reset pulse application signal line L11, applies the transfer pulse TRAN to the gate of the MOS transistor Q11, and A row selection pulse SELECT is applied to the gate of the transistor Q14.

なお、リセットパルスRS34、転送パルスTRAN35、行選択パルスSELECT36は、(N+1)行目の画素部10を走査する際のパルスを参考のために示したもので、目的は同じである。   Note that the reset pulse RS34, the transfer pulse TRAN35, and the row selection pulse SELECT36 are pulses for scanning the pixel unit 10 in the (N + 1) th row for reference, and have the same purpose.

また、パルス発生回路50aは、MOSトランジスタQ21のゲートにサンプルホールドパルスSHNCを印加する。   In addition, the pulse generation circuit 50a applies a sample hold pulse SHNC to the gate of the MOS transistor Q21.

また、パルス発生回路50aは、MOSトランジスタQ31のゲートに容量部初期化パルスCLNCを印加する。   Further, the pulse generation circuit 50a applies the capacitor unit initialization pulse CLNC to the gate of the MOS transistor Q31.

さらに、MOSトランジスタQ41のゲートに水平選択パルスHSRを印加する。
なお、列方向共通信号線L14には画素部10から出力された電荷を電圧に変換させるための信号SIG_LINEが印加されている。
Further, a horizontal selection pulse HSR is applied to the gate of the MOS transistor Q41.
Note that a signal SIG_LINE for converting charges output from the pixel portion 10 into a voltage is applied to the column-direction common signal line L14.

また、容量部初期化バイアス印加線L17にはサンプリング容量C31およびクランプ容量C32を初期化するための容量部初期化バイアス印加信号NCDCが印加されている。   Further, the capacitor unit initialization bias application signal NCDC for initializing the sampling capacitor C31 and the clamp capacitor C32 is applied to the capacitor unit initialization bias application line L17.

このようなパルス信号が与えられると、各MOSトランジスタQ11,Q12,Q14,Q21,Q31,Q41が駆動され、水平出力信号線L19に各画素部10から信号が行ごとに出力される。   When such a pulse signal is given, the MOS transistors Q11, Q12, Q14, Q21, Q31, and Q41 are driven, and a signal is output from the pixel unit 10 to the horizontal output signal line L19 for each row.

信号処理部60は、水平出力信号線L19を介する行ごとの信号を1つのフレーム画像にまとめる。   The signal processing unit 60 collects the signals for each row via the horizontal output signal line L19 into one frame image.

次いで、本発明の固体撮像装置1の動作を説明する。
図2は、本発明の実施の形態1に係る固体撮像装置1を動作させるタイミングを示すタイミングチャートである。
Next, the operation of the solid-state imaging device 1 of the present invention will be described.
FIG. 2 is a timing chart showing timings at which the solid-state imaging device 1 according to Embodiment 1 of the present invention is operated.

なお、図中、図2(a)〜図2(c)は、パルス発生回路50aからN行目の画素部10に対して出力されるリセットパルスRS、転送パルスTRANおよび行選択パルスSELECTをそれぞれ示し、図2(d)〜図2(f)は、パルス発生回路50aから(N+1)行目の画素部10に対して出力されるリセットパルスRS、転送パルスTRANおよび行選択パルスSELECTをそれぞれ示し、図2(g)はパルス発生回路50aからMOSトランジスタQ21に対して出力されるサンプルホールドパルスSHNCを示し、図2(h)はパルス発生回路50aからMOSトランジスタQ31に対して出力される容量部初期化パルスCLNCを示し、図2(i)はパルス発生回路50aから各列のMOSトランジスタQ41に対して順次出力される水平選択パルスHSRを示す。   2A to 2C show the reset pulse RS, the transfer pulse TRAN, and the row selection pulse SELECT output from the pulse generation circuit 50a to the pixel unit 10 in the Nth row, respectively. FIGS. 2D to 2F show the reset pulse RS, the transfer pulse TRAN, and the row selection pulse SELECT output from the pulse generation circuit 50a to the pixel unit 10 in the (N + 1) th row, respectively. FIG. 2 (g) shows a sample hold pulse SHNC output from the pulse generation circuit 50a to the MOS transistor Q21, and FIG. 2 (h) shows a capacitor portion output from the pulse generation circuit 50a to the MOS transistor Q31. The initialization pulse CLNC is shown. FIG. 2 (i) shows sequentially from the pulse generation circuit 50a to the MOS transistors Q41 in each column. A horizontal selection pulse HSR being force.

パルス発生回路50aは、時刻t0において、すべてパルスをOFFにしている。なお、時刻t0の直前においては、図3(a)に示されるように、N行目画素部10の光電変換素子PDには通常光量の電荷が蓄積されており、フローティングディフュージョンFDに高光量の電荷が蓄積されているものとして説明する。   The pulse generation circuit 50a turns off all pulses at time t0. Immediately before time t0, as shown in FIG. 3A, the photoelectric conversion element PD of the N-th row pixel unit 10 stores a normal light amount of charge, and the floating diffusion FD has a high light amount. A description will be given assuming that electric charges are accumulated.

次いで、パルス発生回路50aは、時刻t1において、N行目画素部10に対する転送パルスTRAN、行選択パルスSELECTをONにすると共に、サンプルホールドパルスSHNCをONにする。これにより、N行目画素部10のMOSトランジスタQ11、MOSトランジスタQ14およびMOSトランジスタQ21が導通される。なお、このときの転送パルスTRANは、MOSトランジスタQ11を完全にONさせるための値の大きなパルス信号であり、図3(b)に示されるように、光電変換素子PDに蓄積されている電荷はフローティングディフュージョンFDに完全に転送される。   Next, at time t1, the pulse generation circuit 50a turns on the transfer pulse TRAN and the row selection pulse SELECT for the Nth row pixel unit 10, and turns on the sample hold pulse SHNC. As a result, the MOS transistor Q11, the MOS transistor Q14, and the MOS transistor Q21 of the Nth row pixel portion 10 are turned on. The transfer pulse TRAN at this time is a pulse signal having a large value for completely turning on the MOS transistor Q11. As shown in FIG. 3B, the charge accumulated in the photoelectric conversion element PD is It is completely transferred to the floating diffusion FD.

したがって、フローティングディフュージョンFDに1フレーム期間蓄積された大光量時の電荷と、通常光量時の電荷とが加算され、その加算された電荷に応じた電圧の画素信号がMOSトランジスタQ13,Q14を介して列方向共通信号線L14に出力され、さらにMOSトランジスタQ21を介して雑音信号除去部30に転送される。   Therefore, the charge at the time of the large light quantity accumulated in the floating diffusion FD for one frame period and the charge at the time of the normal light quantity are added, and a pixel signal having a voltage corresponding to the added charge is passed through the MOS transistors Q13 and Q14. The signal is output to the column direction common signal line L14 and further transferred to the noise signal removal unit 30 via the MOS transistor Q21.

次いで、パルス発生回路50aは、時刻t2においてN行目画素部10に対する転送パルスTRANをOFFにした後、時刻t3から時刻t4までの間、N行目画素部10に対するリセットパルスRSをONにする。これにより、N行目画素部10のMOSトランジスタQ11が遮断された後、MOSトランジスタQ12が導通される。したがって、図3(c)に示されるように、フローティングディフュージョンFDがVDDにリセットされ、フローティングディフュージョンFDのリセット電位がMOSトランジスタQ13,Q14を介して列方向共通信号線L14に出力され、さらにMOSトランジスタQ21を介して雑音信号除去部30に転送される。   Next, the pulse generation circuit 50a turns off the transfer pulse TRAN for the Nth row pixel unit 10 at time t2, and then turns on the reset pulse RS for the Nth row pixel unit 10 from time t3 to time t4. . Thereby, after the MOS transistor Q11 of the Nth row pixel portion 10 is cut off, the MOS transistor Q12 is turned on. Therefore, as shown in FIG. 3C, the floating diffusion FD is reset to VDD, the reset potential of the floating diffusion FD is output to the column direction common signal line L14 via the MOS transistors Q13 and Q14, and the MOS transistor The signal is transferred to the noise signal removal unit 30 via Q21.

ここで、サンプリング容量C31およびクランプ容量C32で電荷再分配が発生し、MOSトランジスタQ13の閾値差を除去した電圧が出現する。   Here, charge redistribution occurs in the sampling capacitor C31 and the clamp capacitor C32, and a voltage from which the threshold difference of the MOS transistor Q13 is removed appears.

また、パルス発生回路50aは、時刻t3から時刻t4までの間、容量部初期化パルスCLNCをONにする。これにより、MOSトランジスタQ31が導通し、サンプリング容量C31およびクランプ容量C32に容量部初期化バイアス印加信号NCDCが印加される。   Further, the pulse generation circuit 50a turns on the capacitor unit initialization pulse CLNC from time t3 to time t4. As a result, the MOS transistor Q31 becomes conductive, and the capacitor unit initialization bias application signal NCDC is applied to the sampling capacitor C31 and the clamp capacitor C32.

次いで、パルス発生回路50aは、時刻t5においてN行目画素部10に対する行選択パルスSELECTおよびサンプルホールドパルスSHNCをOFFにする。これにより、MOSトランジスタQ21が遮断される。   Next, the pulse generation circuit 50a turns off the row selection pulse SELECT and the sample hold pulse SHNC for the Nth row pixel unit 10 at time t5. Thereby, MOS transistor Q21 is cut off.

そして、パルス発生回路50aは、時刻t6から時刻t7までの期間に各列に対する水平選択パルスHSRを順次ONにする。これにより、各列のMOSトランジスタQ41が順次導通され、全列信号線の1水平走査が行われ、水平出力信号線L19に1行の画素信号が出力される。   Then, the pulse generation circuit 50a sequentially turns on the horizontal selection pulse HSR for each column during a period from time t6 to time t7. As a result, the MOS transistors Q41 in each column are sequentially turned on, one horizontal scan of all the column signal lines is performed, and one row of pixel signals is output to the horizontal output signal line L19.

その後、パルス発生回路50aは、1フレーム期間にわたり、N行目画素部10に対する転送パルスTRANを通常パルス(完全ON)より低い電圧で複数回ONにする。つまり、不完全ONにする。なお、この実施の形態1においては、図2に示されるように、次の(N+1)行目の1水平期間に転送パルスTRANを通常パルスより低い電圧で複数回ONにする場合が図示されている。   Thereafter, the pulse generation circuit 50a turns on the transfer pulse TRAN for the Nth row pixel unit 10 a plurality of times at a voltage lower than the normal pulse (completely ON) over one frame period. That is, it is incompletely turned on. In the first embodiment, as shown in FIG. 2, a case where the transfer pulse TRAN is turned ON a plurality of times at a voltage lower than the normal pulse in one horizontal period of the next (N + 1) th row is illustrated. Yes.

これにより、光電変換素子PDに蓄積されていた飽和に近い電荷が、MOSトランジスタQ11のゲート電位を通過し、電荷がフローティングディフュージョンFDに蓄積されていく。   As a result, the near-saturated charge accumulated in the photoelectric conversion element PD passes through the gate potential of the MOS transistor Q11, and the charge is accumulated in the floating diffusion FD.

つまり、図3(d)に示されるように、光電変換素子PDに蓄積された電荷がオーバーフローする少し前のタイミングでMOSトランジスタQ11を不完全ONさせることにより、所定量を超える電荷を少しずつフローティングディフュージョンFDに予め転送させる。   That is, as shown in FIG. 3D, the MOS transistor Q11 is incompletely turned on at a timing just before the charge accumulated in the photoelectric conversion element PD overflows, so that the charge exceeding a predetermined amount is floated little by little. Transfer to the diffusion FD in advance.

この転送パルスTRANは、期間A、期間BとそのONする間隔を徐々に短くして、通常の飽和電荷量をわずかに上回る光量が入射した場合は、期間Aのような長い蓄積時間でフローティングディフュージョンFDに電荷が蓄積し、通常の飽和電荷量を大きく上回る光量が入射した場合は、期間Gのような短い期間でもフローティングディフュージョンFDに電荷が蓄積され、期間AからGまでの全期間における転送パルスTRANにより、フローティングディフュージョンFDに電荷が加算されていく。   The transfer pulse TRAN gradually shortens the period A and the period B and the interval between ON, and when a light amount slightly exceeding the normal saturation charge amount is incident, the floating diffusion has a long accumulation time as in the period A. When charges are accumulated in the FD and a light amount that greatly exceeds the normal saturation charge amount is incident, charges are accumulated in the floating diffusion FD even in a short period such as the period G, and the transfer pulse in all periods from the period A to G Charge is added to the floating diffusion FD by TRAN.

すなわち、1フレーム期間において期間AからGのような徐々に蓄積期間を短くする期間をより多く設けることにより、大光量時のダイナミックレンジをより広くすることができる。これらフローティングディフュージョンFDに蓄積された大光量時の蓄積信号と、転送MOSトランジスタQ11のゲート電位を通過しなかった通常光量の蓄積信号との加算が時刻t1から時刻t5における信号検出過程で繰り返されることにより、図4および図5に示すような出力特性を得ることができる。   That is, by providing more periods in which the accumulation period is gradually shortened, such as periods A to G, in one frame period, the dynamic range when the amount of light is large can be further widened. The addition of the accumulated signal of the large light amount accumulated in the floating diffusion FD and the accumulated signal of the normal light amount that has not passed through the gate potential of the transfer MOS transistor Q11 is repeated in the signal detection process from time t1 to time t5. Thus, output characteristics as shown in FIGS. 4 and 5 can be obtained.

なお、この実施の形態1では、高光量時の電荷と通常光量時の電荷とをフローティングディフュージョンFDにおいて合算して、合算した信号を列方向共通信号線L14に出力させるようにしたが、パルス発生回路50aは、フローティングディフュージョンFDから高光量時の電荷と通常光量時の電荷とを個別に列方向共通信号線L14に出力させるようにしてもよい。   In the first embodiment, the charge at the high light amount and the charge at the normal light amount are added together in the floating diffusion FD, and the added signal is output to the column direction common signal line L14. The circuit 50a may cause the floating diffusion FD to individually output the charge for the high light amount and the charge for the normal light amount to the column direction common signal line L14.

(実施形態2)
次いで、フローティングディフュージョンFDから高光量時の電荷と通常光量時の電荷とを個別に列方向共通信号線L14に出力させる場合の動作を説明する。
(Embodiment 2)
Next, an operation in the case where the charge at the high light amount and the charge at the normal light amount are individually output from the floating diffusion FD to the column direction common signal line L14 will be described.

図6は、本発明の実施の形態2に係る固体撮像装置1を動作させるタイミングを示すタイミングチャートである。   FIG. 6 is a timing chart showing timings at which the solid-state imaging device 1 according to Embodiment 2 of the present invention is operated.

なお、図中、図6(a)〜図6(c)は、パルス発生回路50aから(N−1)行目画素部10に対して出力されるリセットパルスRS、転送パルスTRANおよび行選択パルスSELECTをそれぞれ示し、図6(d)〜図6(f)は、パルス発生回路50aからN行目の画素部10に対して出力されるリセットパルスRS、転送パルスTRANおよび行選択パルスSELECTをそれぞれ示し、図6(g)はパルス発生回路50aからMOSトランジスタQ21に対して出力されるサンプルホールドパルスSHNCを示し、図6(h)はパルス発生回路50aからMOSトランジスタQ31に対して出力される容量部初期化パルスCLNCを示し、図6(i)はパルス発生回路50aから各列のMOSトランジスタQ41に対して順次出力される水平選択パルスHSRを示す。   6A to 6C, the reset pulse RS, the transfer pulse TRAN, and the row selection pulse output from the pulse generation circuit 50a to the (N-1) -th row pixel unit 10 are shown. FIG. 6D to FIG. 6F show the reset pulse RS, the transfer pulse TRAN, and the row selection pulse SELECT output from the pulse generation circuit 50a to the pixel unit 10 in the Nth row, respectively. FIG. 6 (g) shows a sample hold pulse SHNC output from the pulse generation circuit 50a to the MOS transistor Q21, and FIG. 6 (h) shows a capacitance output from the pulse generation circuit 50a to the MOS transistor Q31. FIG. 6 (i) shows the output from the pulse generation circuit 50a to the MOS transistors Q41 in each column sequentially. A horizontal selection pulse HSR being.

図2のタイミングと異なる点は、パルス発生回路50aが大光量時の信号と通常光量時の信号とを水平出力信号線L19に個別に出力させ、暗電流の影響を受けにくい動作にしていることである。   The difference from the timing of FIG. 2 is that the pulse generation circuit 50a individually outputs the signal at the time of the large light amount and the signal at the time of the normal light amount to the horizontal output signal line L19 so as to be hardly affected by the dark current. It is.

パルス発生回路50aは、時刻t0において、すべてのパルスをOFFにしている。
パルス発生回路50aは、時刻t1において(N−1)行目画素部10へのリセットパルスRS、行選択パルスSELECTをONするとともに、サンプルホールドパルスSHNC、容量部初期化パルスCLNCをONにする。これにより、MOSトランジスタQ12、MOSトランジスタQ14、MOSトランジスタQ21、MOSトランジスタQ31がONにされる。そして、パルス発生回路50aは、時刻t2において(N−1)行目画素部10へのリセットパルスRSをOFFにするとともに、容量部初期化パルスCLNCをOFFにする。これによりMOSトランジスタQ12、MOSトランジスタQ31が遮断される。したがって、(N−1)行目画素部10のフローティングディフュージョンFDの初期化電位を(N−1)行目画素部10のMOSトランジスタQ13,Q14を介して列方向共通信号線L14に出力させる。
The pulse generation circuit 50a turns off all pulses at time t0.
The pulse generation circuit 50a turns on the reset pulse RS and row selection pulse SELECT to the (N-1) -th row pixel unit 10 at time t1 and turns on the sample hold pulse SHNC and the capacitor unit initialization pulse CLNC. As a result, the MOS transistor Q12, the MOS transistor Q14, the MOS transistor Q21, and the MOS transistor Q31 are turned on. Then, the pulse generation circuit 50a turns off the reset pulse RS to the (N−1) -th row pixel unit 10 and turns off the capacitor unit initialization pulse CLNC at time t2. As a result, the MOS transistor Q12 and the MOS transistor Q31 are cut off. Therefore, the initialization potential of the floating diffusion FD of the (N-1) th row pixel unit 10 is output to the column direction common signal line L14 via the MOS transistors Q13 and Q14 of the (N-1) th row pixel unit 10.

このときの電位をサンプリング容量C31およびクランプ容量C32で検出し、初期化電位に置き換える。つまり、(N−1)行目画素部10の初期化信号をN行画素部10で用いる。パルス発生回路50aは、時刻t3において(N−1)行目画素部10への行選択パルスSELECTをOFFにする。   The potential at this time is detected by the sampling capacitor C31 and the clamp capacitor C32 and replaced with the initialization potential. That is, the initialization signal of the (N−1) -th row pixel unit 10 is used in the N-row pixel unit 10. The pulse generation circuit 50a turns off the row selection pulse SELECT to the (N-1) -th row pixel unit 10 at time t3.

なお、N行目の画素部10について、時刻t4の直前においては、図7(a)に示されるように、光電変換素子PDには通常光量の電荷が蓄積されており、フローティングディフュージョンFDに高光量の電荷電荷が蓄積されているものとして説明する。   As for the pixel unit 10 in the Nth row, immediately before time t4, as shown in FIG. 7A, the photoelectric conversion element PD stores a normal amount of charge, and the floating diffusion FD has a high charge. A description will be given on the assumption that a charge amount of light is accumulated.

次いで、パルス発生回路50aは、時刻t4から時刻t5にかけて行選択パルスSELECTをONにし、N行目の画素部10のMOSトランジスタQ14を導通させ、大光量信号をMOSトランジスタQ13,Q14を介して列方向共通信号線L14に出力させる。このとき、先に設定した初期化電位との差分をサンプリング容量C31およびクランプ容量C32で検出する。   Next, the pulse generation circuit 50a turns on the row selection pulse SELECT from time t4 to time t5, turns on the MOS transistor Q14 of the pixel unit 10 in the Nth row, and outputs a large light quantity signal through the MOS transistors Q13 and Q14. The signal is output to the direction common signal line L14. At this time, the difference from the previously set initialization potential is detected by the sampling capacitor C31 and the clamp capacitor C32.

パルス発生回路50aは、時刻t6においてサンプルホールドパルスSHNCをOFFにし、MOSトランジスタQ21を遮断させた後、時刻t7から時刻t8の期間で全列信号線の1水平走査を行うが、このときの信号成分は、すべて大光量信号成分を検出したものである。   The pulse generation circuit 50a turns off the sample-and-hold pulse SHNC at time t6 and shuts off the MOS transistor Q21, and then performs one horizontal scan of all the column signal lines in the period from time t7 to time t8. The components are all detected from the large light quantity signal component.

次に、パルス発生回路50aは、時刻t9においてリセットパルスRS、行選択パルスSELECTおよび容量部初期化パルスCLNCをONにし、MOSトランジスタQ12、MOSトランジスタQ14、MOSトランジスタQ31を導通させ、時刻t10においてリセットパルスRSおよび容量部初期化パルスCLNCをOFFにし、MOSトランジスタQ12、MOSトランジスタQ31を遮断させた後、フローティングディフュージョンFDの初期化電位をMOSトランジスタQ13,Q14を介して列方向共通信号線L14に出力させる。このときの電位をサンプリング容量C31およびクランプ容量C32で検出して初期化電位とする。   Next, the pulse generation circuit 50a turns on the reset pulse RS, the row selection pulse SELECT, and the capacitor unit initialization pulse CLNC at time t9, turns on the MOS transistor Q12, MOS transistor Q14, and MOS transistor Q31, and resets at time t10. After the pulse RS and the capacitor part initialization pulse CLNC are turned off and the MOS transistor Q12 and the MOS transistor Q31 are turned off, the initialization potential of the floating diffusion FD is output to the column direction common signal line L14 via the MOS transistors Q13 and Q14. Let The potential at this time is detected by the sampling capacitor C31 and the clamp capacitor C32 and set as an initialization potential.

時刻t11から時刻t12にかけて転送パルスTRANをONし、MOSトランジスタQ11を導通させ、通常光量信号をMOSトランジスタQ13,Q14を介して列方向共通信号線L14に出力させる。   From time t11 to time t12, the transfer pulse TRAN is turned on, the MOS transistor Q11 is turned on, and the normal light quantity signal is output to the column direction common signal line L14 via the MOS transistors Q13 and Q14.

つまり、図7(b)に示されるように、フローティングディフュージョンFDをリセットしてから、図7(c)に示されるように、MOSトランジスタQ11を完全ONし、光電変換素子PDに蓄積されていた通常光量時の電荷をフローティングディフュージョンFDに転送させてから、通常光量信号を列方向共通信号線L14に出力させる。   That is, as shown in FIG. 7B, after resetting the floating diffusion FD, the MOS transistor Q11 is completely turned on and stored in the photoelectric conversion element PD as shown in FIG. 7C. After the charge at the normal light amount is transferred to the floating diffusion FD, the normal light amount signal is output to the column direction common signal line L14.

このとき先に設定した初期化電位との差分をサンプリング容量C31およびクランプ容量C32で検出する。   At this time, a difference from the previously set initialization potential is detected by the sampling capacitor C31 and the clamp capacitor C32.

時刻t13で行選択パルスSELECTをOFFにし、MOSトランジスタQ14を遮断させた後、時刻t14から時刻t15の期間で全列信号線の1水平走査を行うが、このときの信号成分は、すべて通常光量信号成分を検出したものである。   At time t13, the row selection pulse SELECT is turned off and the MOS transistor Q14 is turned off, and then one horizontal scan of all the column signal lines is performed during the period from time t14 to time t15. The signal component is detected.

すなわち、大光量信号成分転送と通常光量信号成分転送の2つの水平転送を個別に高速に行うことになる。   That is, the two horizontal transfers of the large light amount signal component transfer and the normal light amount signal component transfer are individually performed at high speed.

なお、パルス発生回路50aは、時刻t16において、リセットパルスRS、行選択パルスSELECT、サンプルホールドパルスSHNCおよび容量部初期化パルスCLNCをONして、N行目の画素部10のMOSトランジスタQ12、MOSトランジスタQ14およびMOSトランジスタQ21、MOSトランジスタQ31を導通させ、図7(d)に示されるように、フローティングディフュージョンFDをVDDにリセットし、フローティングディフュージョンFDの初期化電位をMOSトランジスタQ13,MOSトランジスタQ14を介して列方向共通信号線L14に出力させることにより、(N+1)行目画素部10における光電変換素子PDの大光量信号検出の際の初期化電圧を生成させている。   Note that at time t16, the pulse generation circuit 50a turns on the reset pulse RS, the row selection pulse SELECT, the sample hold pulse SHNC, and the capacitor unit initialization pulse CLNC, and the MOS transistor Q12, MOS of the pixel unit 10 in the Nth row The transistor Q14, the MOS transistor Q21, and the MOS transistor Q31 are turned on, and the floating diffusion FD is reset to VDD as shown in FIG. 7D. The initialization potential of the floating diffusion FD is set to the MOS transistor Q13 and the MOS transistor Q14. Output to the column direction common signal line L14, an initialization voltage for generating a large light amount signal of the photoelectric conversion element PD in the (N + 1) -th row pixel unit 10 is generated.

そして、パルス発生回路50aは、時刻t17においてリセットパルスRSおよび容量部初期化パルスCLNCをOFFにし、N行目の画素部10のMOSトランジスタQ12、MOSトランジスタQ31を遮断させた後、時刻t18において行選択パルスSELECTをOFFにし、N行目の画素部10のMOSトランジスタQ14を遮断させた以降、1フレーム期間にわたり、複数回にわたり転送パルスTRANを通常パルスより低い電圧でONすることにより、図7(e)に示されるように、転送MOSトランジスタQ11のゲート電位を通過した電荷がフローティングディフュージョンFDに蓄積されていく。   Then, the pulse generation circuit 50a turns off the reset pulse RS and the capacitor unit initialization pulse CLNC at time t17, shuts off the MOS transistor Q12 and the MOS transistor Q31 of the pixel unit 10 in the Nth row, and then performs the row at time t18. After the selection pulse SELECT is turned off and the MOS transistor Q14 of the pixel unit 10 in the N-th row is cut off, the transfer pulse TRAN is turned on at a voltage lower than the normal pulse a plurality of times over one frame period, thereby FIG. As shown in e), the charge that has passed through the gate potential of the transfer MOS transistor Q11 is accumulated in the floating diffusion FD.

転送パルスTRANは、期間A、期間BとそのONする間隔を徐々に短くして、通常の飽和電荷量をわずかに上回る光量が入射した場合は、期間Aのような長い蓄積時間でフローティングディフュージョンFDに電荷が蓄積し、通常の飽和電荷量を大きく上回る光量が入射した場合は、期間Gのような短い期間でもフローティングディフュージョンFDに電荷が蓄積され、期間AからGまでの全期間における転送パルスTRANにより、フローティングディフュージョンFDに電荷が加算されていく。   The transfer pulse TRAN gradually shortens the period A and the period B and the ON intervals thereof, and when a light amount slightly exceeding the normal saturation charge amount is incident, the floating diffusion FD has a long accumulation time as in the period A. In the case where an amount of light that is much larger than the normal saturated charge amount is incident, the charge is accumulated in the floating diffusion FD even in a short period such as the period G, and the transfer pulse TRAN in all periods from the period A to G As a result, charges are added to the floating diffusion FD.

すなわち、1フレーム期間において期間AからGのような徐々に蓄積期間を短くする期間をより多く設けることにより、大光量時のダイナミックレンジをより広くすることができる。   That is, by providing more periods in which the accumulation period is gradually shortened, such as periods A to G, in one frame period, the dynamic range when the amount of light is large can be further widened.

これらフローティングディフュージョンFDに蓄積された大光量時の蓄積信号が時刻t7から時刻t8にかけて転送され、転送MOSトランジスタQ11のゲート電位を通過しなかった通常光量の蓄積信号が時刻t14から時刻t15にかけて転送されることになる。この2つの信号成分を後段の信号処理回路60で加算することにより、図4および図5に示されるような出力特性を得ることができる。   The accumulated signal at the time of large light quantity accumulated in the floating diffusion FD is transferred from time t7 to time t8, and the accumulated signal of normal light quantity not passing through the gate potential of the transfer MOS transistor Q11 is transferred from time t14 to time t15. Will be. By adding these two signal components in the signal processing circuit 60 at the subsequent stage, output characteristics as shown in FIGS. 4 and 5 can be obtained.

また、このとき信号処理回路60にて、通常光量の蓄積信号が一定以上に満たない場合、大光量時の蓄積信号を加算しないように設定することにより、長時間露光により低照度時に目立つ暗電流成分を多く含む大光量時の蓄積信号成分をカットして、通常光量の蓄積信号のみを出力させることができ、暗電流の少ない広ダイナミックレンジ化を実現することができる。   At this time, in the signal processing circuit 60, when the accumulated signal of the normal light quantity is less than a certain level, the dark current that is conspicuous at low illuminance by long exposure is set by setting so that the accumulated signal at the large light quantity is not added. It is possible to cut the accumulated signal component at the time of a large light amount containing a large amount of components and output only the accumulated signal of the normal light amount, thereby realizing a wide dynamic range with less dark current.

(実施の形態3)
次いで、本発明の他の実施の形態に係る固体撮像装置について説明する。
(Embodiment 3)
Next, a solid-state imaging device according to another embodiment of the present invention will be described.

図8は、本発明の実施の形態3に係る固体撮像装置の構成を示す回路図である。なお、実際には画素部が行方向、列方向に複数配置されているが、図8ではその1つだけが示されている。また、図1に示される固体撮像装置1と対応する部分に同じ番号を付し、その説明を省略する。   FIG. 8 is a circuit diagram showing a configuration of the solid-state imaging device according to Embodiment 3 of the present invention. Actually, a plurality of pixel portions are arranged in the row direction and the column direction, but only one of them is shown in FIG. Moreover, the same number is attached | subjected to the part corresponding to the solid-state imaging device 1 shown by FIG. 1, and the description is abbreviate | omitted.

実施形態2の場合と異なる点は、大光量時の信号と通常光量時の信号を固体撮像装置2内に設けた雑音信号除去部30a,30bで個別に検出すると共に、大光量時の信号を通常光量の信号に加算するか、しないかを内蔵した加算制御部70(比較器71)で判定していることである。   The difference from the case of the second embodiment is that the signal at the time of the large light amount and the signal at the time of the normal light amount are individually detected by the noise signal removing units 30a and 30b provided in the solid-state imaging device 2, and the signal at the time of the large light amount is detected. The addition control unit 70 (comparator 71) that determines whether or not the signal is added to the signal of the normal light quantity is determined.

固体撮像装置2は、図8に示されるように、画素部10と、MOSトランジスタQ21a,Q21bと、雑音信号除去部30a,30bと、加算制御部70と、MOSトランジスタQ41a,Q41bと、信号処理部60と、電源線L10と、リセットパルス印加信号線L11と、転送パルス印加信号線L12と、行選択パルス印加信号線L13と、列方向共通信号線L14と、サンプルホールドパルス印加信号線L15a,L15bと、容量部初期化パルス印加信号線L16a,L16bと、容量部初期化バイアス印加線L17と、水平選択パルス印加信号線L18と、水平出力信号線L19等とから構成される。   As shown in FIG. 8, the solid-state imaging device 2 includes a pixel unit 10, MOS transistors Q21a and Q21b, noise signal removal units 30a and 30b, an addition control unit 70, MOS transistors Q41a and Q41b, and signal processing. Unit 60, power supply line L10, reset pulse application signal line L11, transfer pulse application signal line L12, row selection pulse application signal line L13, column direction common signal line L14, sample hold pulse application signal line L15a, L15b, capacitor part initialization pulse application signal lines L16a and L16b, a capacitor part initialization bias application line L17, a horizontal selection pulse application signal line L18, a horizontal output signal line L19, and the like.

雑音信号除去部30aは、雑音信号除去部30と同様に、MOSトランジスタQ31aと、サンプリング容量C31aと、クランプ容量C32aとから構成される。また、雑音信号除去部30bは、雑音信号除去部30と同様に、MOSトランジスタQ31bと、サンプリング容量C31bと、クランプ容量C32bとから構成される。   Similar to the noise signal removing unit 30, the noise signal removing unit 30a includes a MOS transistor Q31a, a sampling capacitor C31a, and a clamp capacitor C32a. Similarly to the noise signal removing unit 30, the noise signal removing unit 30b includes a MOS transistor Q31b, a sampling capacitor C31b, and a clamp capacitor C32b.

加算制御部70は、比較器71と、インバータ72と、MOSトランジスタQ71,Q72,Q73,Q74,Q75とから構成される。   The addition control unit 70 includes a comparator 71, an inverter 72, and MOS transistors Q71, Q72, Q73, Q74, Q75.

列方向共通信号線L14は、MOSトランジスタQ21aのドレインおよびMOSトランジスタQ21bのドレインにそれぞれ接続される。MOSトランジスタQ21aのゲートはサンプルホールドパルス印加信号線L15aに接続され、そのソースは雑音信号除去部30aのサンプリング容量C31aの一方端子に接続される。MOSトランジスタQ21bのゲートはサンプルホールドパルス印加信号線L15bに接続され、そのソースは雑音信号除去部30bのサンプリング容量C31bの一方端子に接続される。   Column direction common signal line L14 is connected to the drain of MOS transistor Q21a and the drain of MOS transistor Q21b, respectively. The gate of the MOS transistor Q21a is connected to the sample hold pulse application signal line L15a, and the source thereof is connected to one terminal of the sampling capacitor C31a of the noise signal removal unit 30a. The gate of the MOS transistor Q21b is connected to the sample hold pulse application signal line L15b, and the source thereof is connected to one terminal of the sampling capacitor C31b of the noise signal removal unit 30b.

雑音信号除去部30aのMOSトランジスタQ31aのドレインは容量部初期化バイアス印加線L17に接続され、そのソースはサンプリング容量C31aおよびクランプ容量C32aおよびMOSトランジスタQ41aのドレインに接続され、そのゲートは容量部初期化パルス印加信号線L16aに接続される。雑音信号除去部30bのMOSトランジスタQ31bのドレインは容量部初期化バイアス印加線L17に接続され、そのソースはサンプリング容量C31bおよびクランプ容量C32bおよびMOSトランジスタQ41bのドレインに接続され、そのゲートは容量部初期化パルス印加信号線L16bに接続される。   The drain of the MOS transistor Q31a of the noise signal removal unit 30a is connected to the capacitor unit initialization bias application line L17, the source thereof is connected to the sampling capacitor C31a, the clamp capacitor C32a, and the drain of the MOS transistor Q41a, and the gate thereof is the capacitor unit initial stage. Connected to the activating pulse applying signal line L16a. The drain of the MOS transistor Q31b of the noise signal removal unit 30b is connected to the capacitor unit initialization bias application line L17, its source is connected to the sampling capacitor C31b, the clamp capacitor C32b, and the drain of the MOS transistor Q41b, and its gate is the capacitor unit initial stage. Connected to the activating pulse applying signal line L16b.

加算制御部70の比較器71は、クランプ容量C32aの電圧と予め定められたリファレンス電圧VREFとを比較し、クランプ容量C32aの電圧がリファレンス電圧VREFよりも高い場合にハイレベルの信号を出力し、逆の場合にはローレベルの信号を出力する。インバータ72は、比較器71の出力レベルを反転する。   The comparator 71 of the addition controller 70 compares the voltage of the clamp capacitor C32a with a predetermined reference voltage VREF, and outputs a high level signal when the voltage of the clamp capacitor C32a is higher than the reference voltage VREF. In the opposite case, a low level signal is output. Inverter 72 inverts the output level of comparator 71.

MOSトランジスタQ71のゲートは比較器71の出力に接続され、そのドレインはMOSトランジスタQ31aのソースに接続され、そのソースはMOSトランジスタQ72のソースおよびMOSトランジスタQ73のドレインに接続される。MOSトランジスタQ72のゲートは比較器71の出力に接続され、そのドレインはクランプ容量C32bに接続される。MOSトランジスタQ73のゲートは、インバータ72の出力に接続され、そのソースはGNDに接続される。MOSトランジスタQ74のゲートはインバータ72の出力に接続され、そのドレインは水平選択パルス印加信号線L18に接続され、そのソースはMOSトランジスタQ41aのゲートに接続される。MOSトランジスタQ75のゲートは比較器71の出力に接続され、そのドレインは水平選択パルス印加信号線L18に接続され、そのソースはMOSトランジスタQ41bのゲートに接続される。   MOS transistor Q71 has its gate connected to the output of comparator 71, its drain connected to the source of MOS transistor Q31a, and its source connected to the source of MOS transistor Q72 and the drain of MOS transistor Q73. The gate of MOS transistor Q72 is connected to the output of comparator 71, and its drain is connected to clamp capacitor C32b. MOS transistor Q73 has its gate connected to the output of inverter 72 and its source connected to GND. The gate of MOS transistor Q74 is connected to the output of inverter 72, its drain is connected to horizontal selection pulse applying signal line L18, and its source is connected to the gate of MOS transistor Q41a. The gate of the MOS transistor Q75 is connected to the output of the comparator 71, its drain is connected to the horizontal selection pulse applying signal line L18, and its source is connected to the gate of the MOS transistor Q41b.

MOSトランジスタQ41aのドレインはサンプリング容量C31aおよびクランプ容量C32aに接続され、そのソースは水平出力信号線L19に接続される。MOSトランジスタQ41bのドレインはサンプリング容量C31bおよびクランプ容量C32bに接続され、そのソースは水平出力信号線L19に接続される。   The drain of MOS transistor Q41a is connected to sampling capacitor C31a and clamp capacitor C32a, and its source is connected to horizontal output signal line L19. The drain of MOS transistor Q41b is connected to sampling capacitor C31b and clamp capacitor C32b, and its source is connected to horizontal output signal line L19.

パルス発生回路50bは、リセットパルス印加信号線L11にリセットパルスRSを出力し、転送パルス印加信号線L12に転送パルスTRANを出力し、行選択パルス印加信号線L13に行選択パルスSELECTを出力する。   The pulse generation circuit 50b outputs a reset pulse RS to the reset pulse application signal line L11, outputs a transfer pulse TRAN to the transfer pulse application signal line L12, and outputs a row selection pulse SELECT to the row selection pulse application signal line L13.

また、パルス発生回路50bは、サンプルホールドパルス印加信号線L15bにサンプルホールドパルスSHNC1を出力し、容量部初期化パルス印加信号線L16bに容量部初期化パルスCLNC1を出力する。また、パルス発生回路50bは、サンプルホールドパルス印加信号線L15aにサンプルホールドパルスSHNC2を出力し、容量部初期化パルス印加信号線L16aに容量部初期化パルスCLNC2を出力する。さらに、パルス発生回路50bは、水平選択パルス印加信号線L18に水平選択パルスHSRを出力する。   Further, the pulse generation circuit 50b outputs the sample hold pulse SHNC1 to the sample hold pulse application signal line L15b, and outputs the capacitor part initialization pulse CLNC1 to the capacitor part initialization pulse application signal line L16b. Further, the pulse generation circuit 50b outputs the sample hold pulse SHNC2 to the sample hold pulse application signal line L15a, and outputs the capacitor part initialization pulse CLNC2 to the capacitor part initialization pulse application signal line L16a. Further, the pulse generation circuit 50b outputs a horizontal selection pulse HSR to the horizontal selection pulse application signal line L18.

これにより、加算制御部70の比較器71による判定結果に基づいて、大光量時の信号を通常光量の信号に加算した信号や、通常光量の信号を水平出力信号線L19に出力させる。   Thereby, based on the determination result by the comparator 71 of the addition control unit 70, a signal obtained by adding the signal of the large light amount to the signal of the normal light amount or the signal of the normal light amount is output to the horizontal output signal line L19.

次いで、本発明の固体撮像装置2の動作を説明する。
図9は、本発明の実施の形態3に係る固体撮像装置2を動作させるタイミングを示すタイミングチャートである。
Next, the operation of the solid-state imaging device 2 of the present invention will be described.
FIG. 9 is a timing chart showing timings at which the solid-state imaging device 2 according to Embodiment 3 of the present invention is operated.

なお、図中、図9(a)〜図9(c)は、パルス発生回路50bから(N−1)行目画素部10に対して出力されるリセットパルスRS、転送パルスTRANおよび行選択パルスSELECTをそれぞれ示し、図9(d)〜図9(f)は、パルス発生回路50bからN行目の画素部10に対して出力されるリセットパルスRS、転送パルスTRANおよび行選択パルスSELECTをそれぞれ示し、図9(g)はパルス発生回路50bからMOSトランジスタQ21bに対して出力されるサンプルホールドパルスSHNC1を示し、図9(h)はパルス発生回路50bからMOSトランジスタQ31bに対して出力される容量部初期化パルスCLNC1を示し、図9(i)はパルス発生回路50bからMOSトランジスタQ21aに対して出力されるサンプルホールドパルスSHNC2を示し、図9(j)はパルス発生回路50bからMOSトランジスタQ31aに対して出力される容量部初期化パルスCLNC2を示し、図9(k)はパルス発生回路50bから各列のMOSトランジスタQ41a,Q41bに対して順次出力される水平選択パルスHSRを示す。   9A to 9C, the reset pulse RS, the transfer pulse TRAN, and the row selection pulse output from the pulse generation circuit 50b to the (N-1) -th row pixel unit 10 are shown. FIG. 9D to FIG. 9F show the reset pulse RS, the transfer pulse TRAN, and the row selection pulse SELECT that are output from the pulse generation circuit 50b to the pixel unit 10 in the Nth row, respectively. FIG. 9 (g) shows a sample hold pulse SHNC1 output from the pulse generation circuit 50b to the MOS transistor Q21b, and FIG. 9 (h) shows a capacitance output from the pulse generation circuit 50b to the MOS transistor Q31b. FIG. 9 (i) shows the output from the pulse generation circuit 50b to the MOS transistor Q21a. 9 (j) shows the capacitor initialization pulse CLNC2 output from the pulse generation circuit 50b to the MOS transistor Q31a, and FIG. 9 (k) shows each of the pulse generation circuits 50b from the pulse generation circuit 50b. The horizontal selection pulse HSR sequentially output to the MOS transistors Q41a and Q41b in the column is shown.

パルス発生回路50bは、時刻t0においてすべてのパルスをOFFしている。
パルス発生回路50bは、時刻t1において(N−1)行目の画素部10に対するリセットパルスRS、行選択パルスSELECTをONにするとともに、サンプルホールドパルスSHNC1、容量部初期化パルスCLNC1をONにし、時刻t2において(N−1)行目の画素部10に対するリセットパルスRS、容量部初期化パルスCLNC1をOFFにした後、(N−1)行目の画素部10のフローティングディフュージョンFDの初期化電位を(N−1)行目画素部10のMOSトランジスタQ13,Q14を介して列方向共通信号線L14に出力させる。
The pulse generation circuit 50b turns off all pulses at time t0.
The pulse generation circuit 50b turns on the reset pulse RS and the row selection pulse SELECT for the pixel unit 10 in the (N-1) th row at time t1, and turns on the sample hold pulse SHNC1 and the capacitor unit initialization pulse CLNC1. At time t2, the reset pulse RS for the pixel unit 10 in the (N−1) th row and the capacitor unit initialization pulse CLNC1 are turned OFF, and then the initialization potential of the floating diffusion FD in the (N−1) th row of the pixel unit 10 Are output to the column-direction common signal line L14 via the MOS transistors Q13 and Q14 of the (N-1) -th row pixel unit 10.

このときの電位をサンプリング容量C31bおよびクランプ容量C32bで検出して初期化電位に置き換える。   The potential at this time is detected by the sampling capacitor C31b and the clamp capacitor C32b and replaced with the initialization potential.

パルス発生回路50bは、時刻t3において(N−1)行目の画素部10に対する行選択パルスSELECTをOFFにした後、時刻t4から時刻t5にかけてN行目の画素部10に対する選択パルスSELECT106をONにし、大光量信号をMOSトランジスタQ13,Q14を介して列方向共通信号線L14に出力させる。   The pulse generation circuit 50b turns off the row selection pulse SELECT for the pixel unit 10 in the (N-1) th row at time t3, and then turns on the selection pulse SELECT 106 for the pixel unit 10 in the Nth row from time t4 to time t5. The large light amount signal is output to the column direction common signal line L14 via the MOS transistors Q13 and Q14.

このとき先に設定した初期化電位との差分をサンプリング容量C31bおよびクランプ容量C32bで検出する。   At this time, the difference from the previously set initialization potential is detected by the sampling capacitor C31b and the clamp capacitor C32b.

パルス発生回路50bは、時刻t6において列方向共通信号線L14を介する信号が雑音信号除去部30bに入力されないようにサンプルホールドパルスSHNC1をOFFにし、MOSトランジスタQ21bを遮断させる。   The pulse generation circuit 50b turns off the sample hold pulse SHNC1 so that the signal via the column direction common signal line L14 is not input to the noise signal removal unit 30b at time t6, and shuts off the MOS transistor Q21b.

パルス発生回路50bは、時刻t7においてN行目の画素部10に対するリセットパルスRSおよび行選択パルスSELECTをONにすると共に、サンプルホールドパルスSHNC2および容量部初期化パルスCLNC2をONにし、時刻t8においてN行目の画素部10に対するリセットパルスRSをOFFにすると共に、容量部初期化パルスCLNC2をOFFにした後、N行目の画素部10のフローティングディフュージョンFDの初期化電位をMOSトランジスタQ13,Q14を介して列方向共通信号線L14に出力させる。   The pulse generation circuit 50b turns on the reset pulse RS and the row selection pulse SELECT for the pixel unit 10 in the Nth row at time t7, turns on the sample hold pulse SHNC2 and the capacitor unit initialization pulse CLNC2, and turns on N at time t8. After the reset pulse RS for the pixel unit 10 in the row is turned off and the capacitor unit initialization pulse CLNC2 is turned off, the initialization potential of the floating diffusion FD in the pixel unit 10 in the Nth row is set to the MOS transistors Q13 and Q14. Through the common signal line L14 in the column direction.

このときの電位をサンプリング容量C31aおよびクランプ容量C32aで検出して初期化電位とする。   The potential at this time is detected by the sampling capacitor C31a and the clamp capacitor C32a and set as an initialization potential.

パルス発生回路50bは、時刻t9から時刻t10にかけてN行目の画素部10に対する転送パルスTRANをONにし、通常光量信号をMOSトランジスタQ13,Q14を介して列方向共通信号線L14に出力させる。   The pulse generation circuit 50b turns on the transfer pulse TRAN for the pixel unit 10 in the Nth row from time t9 to time t10, and outputs a normal light amount signal to the column direction common signal line L14 via the MOS transistors Q13 and Q14.

このとき先に設定した初期化電位との差分をサンプリング容量C31aおよびクランプ容量C32aで検出する。このとき差分電圧とリファレンス電圧VREFとを比較器71で判定し、差分電圧が一定電圧より大きい(この場合、飽和電圧より大きい)時に、比較器71の出力にはHIGHレベルの電圧が出力される。これにより、MOSトランジスタQ71,Q72,Q75はON状態になり、MOSトランジスタQ73,Q74がOFF状態となるため、クランプ容量C32aの電圧と、クランプ容量C32bの電圧とが加算される形になる。   At this time, a difference from the previously set initialization potential is detected by the sampling capacitor C31a and the clamp capacitor C32a. At this time, the difference voltage and the reference voltage VREF are determined by the comparator 71. When the difference voltage is larger than a certain voltage (in this case, larger than the saturation voltage), a HIGH level voltage is output to the output of the comparator 71. . As a result, the MOS transistors Q71, Q72, Q75 are turned on and the MOS transistors Q73, Q74 are turned off, so that the voltage of the clamp capacitor C32a and the voltage of the clamp capacitor C32b are added.

さらにパルス発生回路50bは、時刻t11で行選択パルスSELECT、サンプルホールドパルスSHNC2をOFFにした後、時刻t12から時刻t13の期間で全列信号線の1水平走査を行うが、このときの水平選択パルスHSRは、MOSトランジスタQ41bにのみ印加されるので、信号成分は、すべて大光量信号成分と通常光量信号成分を加算した信号を水平転送することになる。   Further, the pulse generation circuit 50b turns off the row selection pulse SELECT and the sample hold pulse SHNC2 at time t11, and then performs one horizontal scan of all the column signal lines during the period from time t12 to time t13. Since the pulse HSR is applied only to the MOS transistor Q41b, all the signal components are horizontally transferred as a signal obtained by adding the large light amount signal component and the normal light amount signal component.

一方、パルス発生回路50bは、時刻t9から時刻t10にかけて転送パルスTRANをONし、通常光量信号をMOSトランジスタQ13、MOSトランジスタQ14を介して列方向共通信号線L14に出力させ、先に設定した初期化電位との差分をサンプリング容量C31aおよびクランプ容量C32aで検出する時に、その差分電圧とリファレンス電圧VREFとを比較器71で判定し、差分電圧が一定電圧より小さい(この場合、飽和電圧より小さい)時に、比較器71の出力にはLOWレベルの電圧が出力される。   On the other hand, the pulse generation circuit 50b turns on the transfer pulse TRAN from time t9 to time t10, and outputs the normal light quantity signal to the column direction common signal line L14 via the MOS transistor Q13 and the MOS transistor Q14. When the difference from the potential is detected by the sampling capacitor C31a and the clamp capacitor C32a, the difference voltage and the reference voltage VREF are determined by the comparator 71, and the difference voltage is smaller than a certain voltage (in this case, smaller than the saturation voltage). Sometimes, the output of the comparator 71 is a LOW level voltage.

これにより、MOSトランジスタQ71,Q72,Q75はOFF状態になり、MOSトランジスタQ73,Q74がON状態となるため、クランプ容量C32aの電圧のみが、時刻t12から時刻t13の期間で全列信号線の1水平走査を行うことになる。   As a result, the MOS transistors Q71, Q72, and Q75 are turned off, and the MOS transistors Q73 and Q74 are turned on, so that only the voltage of the clamp capacitor C32a is 1 in all the column signal lines during the period from time t12 to time t13. Horizontal scanning is performed.

このように加算制御部70の比較器71によって、固体撮像装置2内部で大光量入射か、通常光量入射かを判定することができ、長時間露光により低照度時に目立つ暗電流成分を多く含む大光量時の蓄積信号成分をカットして、通常光量の蓄積信号のみを出力させることができ、暗電流の少ない広ダイナミックレンジ化を実現することができる。   As described above, the comparator 71 of the addition control unit 70 can determine whether a large light amount is incident or a normal light amount is incident inside the solid-state imaging device 2, and includes a large amount of dark current components that are conspicuous at low illuminance due to long exposure. It is possible to cut the accumulated signal component at the time of the light amount and output only the accumulated signal of the normal light amount, and to realize a wide dynamic range with less dark current.

なお、パルス発生回路50bは、時刻t14において、N行目の画素部10に対するリセットパルスRSおよび行選択パルスSELECTをONにすると共に、容量部初期化パルスCLNC1をONして、フローティングディフュージョンFDの初期化電位をMOSトランジスタQ13,Q14を介して列方向共通信号線L14に出力させることにより、N行目画素部10における光電変換素子PDの大光量信号検出の際の初期化電圧を生成させている。   At time t14, the pulse generation circuit 50b turns on the reset pulse RS and the row selection pulse SELECT for the pixel unit 10 in the Nth row, and turns on the capacitor unit initialization pulse CLNC1, thereby initializing the floating diffusion FD. The initialization potential is generated at the time of detecting the large light amount signal of the photoelectric conversion element PD in the N-th pixel unit 10 by outputting the potential to the column direction common signal line L14 via the MOS transistors Q13 and Q14. .

時刻t15でリセットパルスRS、容量部初期化パルスCLNC1をOFF後、時刻t16で行選択パルスSELECTをOFFにした以降、1フレーム期間にわたり、複数回にわたり105の転送パルスを通常パルスより低い電圧でONすることにより、転送MOSトランジスタQ11のゲート電位を通過した電荷がフローティングディフュージョンFDに蓄積されていく。転送パルスTRANは、期間A、期間BとそのONする間隔を徐々に短くして、通常の飽和電荷量をわずかに上回る光量が入射した場合は、期間Aのような長い蓄積時間でフローティングディフュージョンFDに電荷が蓄積し、通常の飽和電荷量を大きく上回る光量が入射した場合は、期間Gのような短い期間でもフローティングディフュージョンFDに電荷が蓄積され、期間AからGまでの全期間における転送パルスTRANにより、フローティングディフュージョンFDに電荷が加算されていく。すなわち、1フレーム期間において期間AからGのような徐々に蓄積期間を短くする期間をより多く設けることにより、大光量時のダイナミックレンジをより広くすることができる。   After turning off reset pulse RS and capacitor unit initialization pulse CLNC1 at time t15, and then turning row selection pulse SELECT off at time t16, 105 transfer pulses are turned on at a voltage lower than the normal pulse for multiple times over one frame period. As a result, the charge that has passed through the gate potential of the transfer MOS transistor Q11 is accumulated in the floating diffusion FD. The transfer pulse TRAN gradually shortens the period A and the period B and the ON intervals thereof, and when a light amount slightly exceeding the normal saturation charge amount is incident, the floating diffusion FD has a long accumulation time as in the period A. In the case where an amount of light that is much larger than the normal saturated charge amount is incident, the charge is accumulated in the floating diffusion FD even in a short period such as the period G, and the transfer pulse TRAN in all periods from the period A to G As a result, charges are added to the floating diffusion FD. That is, by providing more periods in which the accumulation period is gradually shortened, such as periods A to G, in one frame period, the dynamic range when the amount of light is large can be further widened.

これらフローティングディフュージョンFDに蓄積された大光量時の蓄積信号が、時刻t4から時刻t5にかけて転送され、転送MOSトランジスタQ11のゲート電位を通過しなかった通常光量の蓄積信号が、時刻t9から時刻t10にかけて転送されることになる。この2つの信号成分を個別のノイズキャンセル回路に保持し、比較器71の電圧レベル判定により、2つの信号成分が加算された場合は、図4および図5に示されるような出力特性を得ることができる。長時間露光により低照度時に目立つ暗電流成分を多く含む大光量時の蓄積信号成分をカットして、通常光量の蓄積信号のみを出力させることもできるので、暗電流の少ない広ダイナミックレンジ化を実現することができる。   The accumulated signal at the time of large light quantity accumulated in the floating diffusion FD is transferred from time t4 to time t5, and the accumulated signal of normal light quantity not passing through the gate potential of the transfer MOS transistor Q11 is transferred from time t9 to time t10. Will be transferred. When these two signal components are held in separate noise cancellation circuits and the two signal components are added by the voltage level determination of the comparator 71, output characteristics as shown in FIGS. 4 and 5 are obtained. Can do. Long-exposure exposure cuts off the accumulated signal component at high light intensity that contains a lot of dark current component that stands out at low illuminance, and only the normal light intensity accumulated signal can be output, realizing a wide dynamic range with less dark current can do.

なお、実施の形態1から3において、電荷を転送する転送手段としてのMOSトランジスタQ11がエンハンス型で、その閾値がその他のエンハンス型のMOSトランジスタの閾値よりも低く、かつ電荷を蓄積する蓄積領域を電源線電圧に設定するMOSトランジスタQ12の閾値がデプレッション型とすることにより、特性が出しやすい固体撮像装置を提供することができる。   In the first to third embodiments, the MOS transistor Q11 as a transfer means for transferring charges is an enhancement type, the threshold value is lower than the threshold values of other enhancement type MOS transistors, and an accumulation region for accumulating charges is provided. By setting the threshold value of the MOS transistor Q12 to be set to the power supply line voltage to the depletion type, it is possible to provide a solid-state imaging device in which characteristics are easily obtained.

また、実施の形態1〜3において、回路の全てがNMOSトランジスタであり、ノイズキャンセル容量もデプレッション型のNMOS容量で構成されていることにより、製造コストを抑えることができ、暗電流の少ない固体撮像装置を提供することができる。   In the first to third embodiments, all of the circuits are NMOS transistors, and the noise canceling capacity is also composed of a depletion type NMOS capacity, so that the manufacturing cost can be reduced and solid-state imaging with less dark current is possible. An apparatus can be provided.

本発明の固体撮像装置は、感度低下が少なく、大光量が入射する場合でも直線性が高く、ダイナミックレンジの広い光応答が得られ、屋内、屋外と光量が大きく変化する撮像条件下に最適なデジタルカメラ等に有用である。   The solid-state imaging device of the present invention is less susceptible to sensitivity reduction, has high linearity even when a large amount of light is incident, has a wide dynamic range, and is optimal for imaging conditions in which the amount of light varies greatly between indoors and outdoors. Useful for digital cameras.

本発明の実施の形態1に係る固体撮像装置の構成を示す回路図である。It is a circuit diagram which shows the structure of the solid-state imaging device which concerns on Embodiment 1 of this invention. 本発明の実施の形態1に係る固体撮像装置1を動作させるタイミングを示すタイミングチャートである。It is a timing chart which shows the timing which operates the solid-state imaging device 1 concerning Embodiment 1 of this invention. 図2の主要タイミングにおける電荷の状態を示す図である。It is a figure which shows the state of the electric charge in the main timing of FIG. 固体撮像装置1の蓄積時間と出力の関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the accumulation | storage time of a solid-state imaging device 1, and an output. 固体撮像装置1の光量と出力の関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the light quantity of a solid-state imaging device 1, and an output. 本発明の実施の形態2に係る固体撮像装置1を動作させるタイミングを示す他のタイミングチャートである。It is another timing chart which shows the timing which operates the solid-state imaging device 1 concerning Embodiment 2 of this invention. 図6の主要タイミングにおける電荷の状態を示す図である。It is a figure which shows the state of the electric charge in the main timing of FIG. 本発明の実施の形態3に係る固体撮像装置の構成を示す回路図である。It is a circuit diagram which shows the structure of the solid-state imaging device which concerns on Embodiment 3 of this invention. 本発明の実施の形態3に係る固体撮像装置2を動作させるタイミングを示すタイミングチャートである。It is a timing chart which shows the timing which operates the solid-state imaging device 2 concerning Embodiment 3 of this invention. 従来の固体撮像装置の画素部を示す平面図である。It is a top view which shows the pixel part of the conventional solid-state imaging device. 従来の固体撮像装置の主感光部と従感光部の光量と出力の関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the light quantity of a main photosensitive part of a conventional solid-state imaging device, and a secondary photosensitive part, and an output.

符号の説明Explanation of symbols

1,2 固体撮像装置
10 画素部
30,30a,30b 雑音信号除去部
50a,50b パルス発生回路
60 信号処理部
70 加算制御部
71 比較器
72 インバータ
PD 光電変換素子
FD フローティングディフュージョン
Q11,Q12,Q13,Q14,Q21,Q21a,Q21b,Q31,Q31a,Q31b,Q41,Q41a,Q41b,Q71,Q72,Q73,Q74,Q75 MOSトランジスタ
C31,C31a,C31b サンプリング容量
C32,C32a,C32b クランプ容量
L10 電源線
L11 リセットパルス印加信号線
L12 転送パルス印加信号線
L13 行選択パルス印加信号線
L14 列方向共通信号線
L15,L15a,L15b サンプルホールドパルス印加信号線
L16,L16a,L16b 容量部初期化パルス印加信号線
L17 容量部初期化バイアス印加線
L18 水平選択パルス印加信号線
L19 水平出力信号線
RS リセットパルス
TRAN 転送パルス
SELECT 行選択パルス
SHNC,SHNC1,SHNC2 サンプルホールドパルス
CLNC,CLNC1,CLNC2 容量部初期化パルス
HSR 水平選択パルス
A,B,C,D,E,F,G 1フレーム期間内における蓄積期間
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1, 2 Solid-state imaging device 10 Pixel part 30,30a, 30b Noise signal removal part 50a, 50b Pulse generation circuit 60 Signal processing part 70 Addition control part 71 Comparator 72 Inverter PD Photoelectric conversion element FD Floating diffusion Q11, Q12, Q13, Q14, Q21, Q21a, Q21b, Q31, Q31a, Q31b, Q41, Q41a, Q41b, Q71, Q72, Q73, Q74, Q75 MOS transistors C31, C31a, C31b Sampling capacitors C32, C32a, C32b Clamp capacitors L10 Power supply line L11 Reset Pulse application signal line L12 Transfer pulse application signal line L13 Row selection pulse application signal line L14 Column direction common signal line L15, L15a, L15b Sample hold pulse application signal line L16, L16a, L 6b Capacitor initialization pulse application signal line L17 Capacitor initialization bias application line L18 Horizontal selection pulse application signal line L19 Horizontal output signal line RS reset pulse TRAN transfer pulse SELECT row selection pulse SHNC, SHNC1, SHNC2 Sample hold pulse CLNC, CLNC1 , CLNC2 Capacitor initialization pulse HSR Horizontal selection pulse A, B, C, D, E, F, G Storage period within one frame period

Claims (9)

入射光を電荷に変換する光電変換手段と、フローティングディフュージョンと、前記光電変換手段に蓄積された電荷を前記フローティングディフュージョンに転送する転送手段とをそれぞれ有する複数の画素部が、2次元に配置された固体撮像装置であって、
前記光電変換手段が蓄積する電荷を前記フローティングディフュージョンに転送するように前記転送手段を制御する転送制御手段を備え、
前記転送制御手段は、1フレーム期間において、前記光電変換手段の飽和電荷量より少ない一定量を超えて発生する過剰電荷を転送する第1の転送と、第1の転送の後に光電変換手段に蓄積された電荷を転送する第2の転送とを制御する
ことを特徴とする固体撮像装置。
A plurality of pixel portions each having a photoelectric conversion means for converting incident light into charges, a floating diffusion, and a transfer means for transferring charges accumulated in the photoelectric conversion means to the floating diffusion are two-dimensionally arranged. A solid-state imaging device,
Transfer control means for controlling the transfer means so as to transfer the charge accumulated in the photoelectric conversion means to the floating diffusion;
The transfer control means stores, in one frame period, a first transfer that transfers an excess charge that exceeds a certain amount smaller than a saturation charge amount of the photoelectric conversion means, and an accumulation in the photoelectric conversion means after the first transfer. And a second transfer for transferring the generated charges. A solid-state imaging device, wherein:
前記転送制御手段は、前記第1の転送では電荷蓄積の時間間隔を徐々に短く変調する不完全転送を複数回行うように制御し、前記第2の転送では光電変換手段に残存する蓄積電荷を完全に転送する完全転送を1回行うように制御する
ことを特徴とする請求項1記載の固体撮像装置。
In the first transfer, the transfer control means controls to perform incomplete transfer in which the charge accumulation time interval is gradually shortened a plurality of times, and in the second transfer, the accumulated charge remaining in the photoelectric conversion means is controlled. The solid-state imaging device according to claim 1, wherein control is performed such that complete transfer for complete transfer is performed once.
前記転送制御手段は、前記第1の転送による過剰電荷と前記第2の転送による電荷とがフローティングディフュージョンにおいて加算されるように前記転送手段を制御する
ことを特徴とする請求項2記載の固体撮像装置。
3. The solid-state imaging according to claim 2, wherein the transfer control unit controls the transfer unit such that an excess charge due to the first transfer and a charge due to the second transfer are added in a floating diffusion. apparatus.
前記固体撮像装置は、さらに前記各画素の列毎に設けられる列方向共通信号線を備え、
前記画素部は、さらに
前記フローティングディフュージョンに蓄積されている電荷をリセットするリセット手段と、
前記フローティングディフュージョンに蓄積されている電荷に応じた信号を当該画素部が属する列方向共通信号線に出力する信号出力手段とを備え、
前記転送制御手段は、前記第1の転送による過剰電荷と前記第2の転送による電荷とがフローティングディフュージョンにおいて個別に蓄積され、前記過剰電荷に対応する第1の信号と前記第2の転送による電荷に対応する第2の信号とが個別に列方向共通信号線に出力されるように前記転送手段、前記リセット手段および画素信号出力手段を制御する
ことを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項記載の固体撮像装置。
The solid-state imaging device further includes a column direction common signal line provided for each column of the pixels,
The pixel unit further includes reset means for resetting charges accumulated in the floating diffusion,
Signal output means for outputting a signal corresponding to the charge accumulated in the floating diffusion to the column direction common signal line to which the pixel portion belongs,
In the transfer control means, the excess charge due to the first transfer and the charge due to the second transfer are individually accumulated in a floating diffusion, and the first signal corresponding to the excess charge and the charge due to the second transfer are stored. The transfer means, the reset means, and the pixel signal output means are controlled so that the second signal corresponding to the signal is output individually to the column-direction common signal line. The solid-state imaging device according to 1.
前記固体撮像装置は、さらに
前記第1の信号と第2の信号とを前記列方向共通信号線を介して個別に入力し、フレーム画像にまとめる信号処理手段を備え、
前記信号処理手段は、前記第2の信号の値に応じて前記第1の信号と前記第2の信号とを加算する
ことを特徴とする請求項5記載の固体撮像装置。
The solid-state imaging device further includes signal processing means for individually inputting the first signal and the second signal via the column-direction common signal line and collecting them into a frame image,
The solid-state imaging device according to claim 5, wherein the signal processing unit adds the first signal and the second signal in accordance with a value of the second signal.
前記固体撮像装置は、さらに
前記列方向共通信号線を介する第1の信号を蓄積する第1信号蓄積手段と、
前記列方向共通信号線を介する第2の信号を蓄積する第2信号蓄積手段と、
前記第2信号蓄積手段に蓄積された第2の信号の電圧と予め定められたリファレンス電圧とを比較し、第2の信号の電圧がリファレンス電圧よりも高い場合には、第1の信号と第2の信号とを加算して出力し、第2の信号の電圧がリファレンス電圧よりも低い場合には、第2の信号だけを出力する加算制御手段と
を備えることを特徴とする固体撮像装置。
The solid-state imaging device further includes first signal storage means for storing a first signal via the column direction common signal line;
Second signal storage means for storing a second signal via the column direction common signal line;
The voltage of the second signal stored in the second signal storage means is compared with a predetermined reference voltage. When the voltage of the second signal is higher than the reference voltage, the first signal A solid-state imaging device comprising: addition control means for adding and outputting the second signal and outputting only the second signal when the voltage of the second signal is lower than the reference voltage.
前記転送手段は、エンハンス型のMOSトランジスタで構成され、
前記転送手段の閾値は、個体撮像装置を構成する他のエンハンス型のMOSトランジスタの閾値よりも低く設定される
ことを特徴とする請求項1〜6のいずれか1項記載の固体撮像装置。
The transfer means is composed of an enhancement type MOS transistor,
7. The solid-state imaging device according to claim 1, wherein a threshold value of the transfer unit is set lower than a threshold value of another enhancement-type MOS transistor constituting the individual imaging device.
回路を構成する部品が全てNMOSトランジスタで構成され、
回路を構成する容量部品もデプレッション型のNMOS容量で構成される
ことを特徴とする請求項1〜7のいずれか1項記載の固体撮像装置。
The parts that make up the circuit are all made up of NMOS transistors,
The solid-state imaging device according to any one of claims 1 to 7, wherein a capacitive component constituting the circuit is also composed of a depletion type NMOS capacitor.
請求項1〜8のいずれか1項記載の固体撮像装置を備えることを特徴とするカメラ。   A camera comprising the solid-state imaging device according to claim 1.
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